JP2017515059A - Bulk metallic glass-based wave gear device and system and method for implementing wave gear device components - Google Patents

Bulk metallic glass-based wave gear device and system and method for implementing wave gear device components Download PDF

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Abstract

本発明の実施形態に従ったシステム及び方法で、バルク金属ガラス系波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントを具現化する。1つの実施形態において、波動歯車装置は、波生成装置(ウェーブ・ジェネレータ)と、それ自体が第1ギア歯セットを有するフレクスプライン(フレックス・スプライン)と、それ自体が第2ギア歯セットを有する円形スプライン(サーキュラ・スプライン)とを備え、波生成装置、フレクスプライン、円形スプラインのうち少なくとも1つはバルク金属ガラス系材料を含む。【選択図】図1The system and method according to embodiments of the present invention embody bulk metallic glass-based wave gear devices and wave gear device components. In one embodiment, the wave gear device has a wave generator, a flex spline that itself has a first gear tooth set (flex spline), and a second gear tooth set itself. A circular spline and at least one of the wave generator, flexspline, and circular spline includes a bulk metallic glass-based material. [Selection] Figure 1

Description

連邦政府資金による研究開発の記載
ここで開示する本発明は、NASAとの契約した作業実績において作成し、また、契約人がタイトルを維持するアメリカ合衆国公法96-517(35U.S.C. §202)の支配下にある。
Description of Federally Funded Research and Development The present invention disclosed herein is made in the working work contracted with NASA and is maintained by the US Public Code 96-517 (35 U.S.C. §202 ).

本発明は、概して、バルク金属ガラス系の波動歯車装置(Strain wave gears)及び波動歯車装置コンポーネントに関する。   The present invention relates generally to bulk metallic glass-based strain wave gears and wave gear device components.

波動歯車装置は、ハーモニックドライブ(登録商標)としても知られており、独特の歯車システムであり、高減速比、高いトルク-重量比及びトルク-体積比、ほぼゼロのバックラッシュ(コンポーネントの潜在的な磨耗を軽減することができる)、及び多くの他の利点を提供することができる。通常は、波動歯車装置は、フレクスプライン(flexspline)内に取り付ける楕円波生成装置を有し、フレクスプラインが波生成装置(ウェーブ・ジェネレータ)による楕円波形に一致し、この構成は、さらに一般的には、一組の玉軸受を有して、フレクスプラインが波生成装置に対して楕円形の中心軸線の周りに回転するようにする。フレクスプラインは、通常、リング状の円形スプライン内に配置し、フレクスプラインは、その外側における、楕円形の、外周に沿って配置した一組のギア歯セットを有し、このギア歯セットは、リム状円形スプライン(サーキュラ・スプライン)の内周に沿って配置したギア歯と噛み合う。通常、フレクスプラインは、円形スプラインよりも少ない歯を有する。特に、フレクスプラインは、可撓材料から形成し、フレクスプライン及び円形スプラインのギア歯が噛み合うとき、波生成装置が円形スプラインに対して第1方向に回転でき、それによって、反対の第2方向にフレクスプラインの変形及び関連した回転を生ずる。普通は、入力トルクを波生成装置に供給し、またフレクスプラインはその結果として出力トルクを生ずる。一般的に、波生成装置の回転速度は、フレクスプラインの回転速度よりも相当速い。従って、波動歯車装置は、歯車システムに対して高減速比を達成することができ、また、より小さいフォームファクター(形状因子)で実現することができる。   The wave gear system, also known as Harmonic Drive®, is a unique gear system with a high reduction ratio, high torque-weight ratio and torque-volume ratio, nearly zero backlash (component potential ) And many other benefits can be provided. Typically, a wave gear device has an elliptical wave generator that is mounted within a flexspline, where the flexspline matches the elliptical waveform produced by the wave generator (wave generator). Has a set of ball bearings so that the flexspline rotates about an elliptical central axis relative to the wave generator. The flexspline is usually placed in a ring-shaped circular spline, and the flexspline has a set of gear teeth set along its outer periphery that is elliptical, and this gear tooth set is It meshes with the gear teeth arranged along the inner circumference of the rim-shaped circular spline (circular spline). Usually, a flexspline has fewer teeth than a circular spline. In particular, the flexspline is formed from a flexible material, and when the gear teeth of the flexspline and the circular spline are engaged, the wave generator can rotate in a first direction relative to the circular spline, thereby in the opposite second direction. Causes flexspline deformation and associated rotation. Normally, input torque is supplied to the wave generator and the flexspline results in output torque. In general, the rotational speed of the wave generator is considerably faster than the rotational speed of the flexspline. Therefore, the wave gear device can achieve a high reduction ratio with respect to the gear system and can be realized with a smaller form factor.

いくつかの代替的な構成において、フレクスプラインを固定状態に保持し、出力トルクを生ずるのに円形スプラインを使用できることも付記する。   It is also noted that in some alternative configurations, a circular spline can be used to hold the flexspline fixed and produce output torque.

推察できるように、波動歯車装置の動作は、特に特別な意味合いを持ち、極めて正確に設計された歯車システムに依存する。例えば、波動歯車装置における構成部品のジオメトリ(幾何学的表面形状)は、所望動作を生ずるために、極限精度で作製しなければならない。さらに、波動歯車装置のコンポーネントは、所望機能を得ることができる材料から作製しなければならない。特に、フレクスプラインは、高頻度の周期変形に耐えるのに十分な可撓性を有していなければならず、これと同時に、波動歯車装置が晒されると予想される負荷に適応するのに十分な強度を有していなければならない。   As can be inferred, the operation of the wave gearing has a special meaning and depends on a gear system that is designed very precisely. For example, the geometry (geometric surface shape) of the components in a wave gear device must be made with extreme accuracy to produce the desired motion. In addition, the components of the wave gear device must be made from materials that can achieve the desired function. In particular, the flexspline must be flexible enough to withstand high frequency cyclic deformations and at the same time sufficient to accommodate the loads that the wave gearing is expected to be exposed to. Must have sufficient strength.

これらの制約のために、従前の波動歯車装置は、スチールから大型に作製してきており、なぜならスチールは必要な材料特性を有することが実証され、また、スチールは、所望ジオメトリとなるように機械加工することができるからである。しかし、スチールを構成コンポーネントとして機械加工することは相当費用がかかるおそれがある。例えば、多くの事例において、スチール系の波動歯車装置は、高額な製造プロセスのために、1000ドルから2000ドルのオーダーのコストがかかるおそれがある。   Because of these constraints, traditional wave gearing has been made large from steel, because it has been demonstrated that steel has the necessary material properties, and steel is machined to the desired geometry. Because it can be done. However, machining steel as a component can be quite expensive. For example, in many instances, steel-based wave gear devices can cost in the order of $ 1000 to $ 2000 due to expensive manufacturing processes.

いくつかの事例において、ハーモニックドライブは熱可塑性材料から作製する。熱可塑性材料(例えばポリマー)は、構成コンポーネントの形状に注型成形する(例えば、射出成形プロセスにより)ことができ、それによって、スチール系の波動歯車装置の製造において一般的に実施される高額な機械加工プロセスを回避することができる。しかし、熱可塑材料から作製した波動歯車装置は、スチールから作製した波動歯車装置ほどの強い強度がない。   In some cases, the harmonic drive is made from a thermoplastic material. Thermoplastic materials (e.g. polymers) can be cast into the shape of the component (e.g. by an injection molding process), thereby increasing the cost typically practiced in the manufacture of steel-based wave gear devices. Machining processes can be avoided. However, wave gear devices made from thermoplastic materials are not as strong as wave gear devices made from steel.

本発明の実施形態によるシステム及び方法は、バルク金属ガラス系の波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントを具現化する。一実施形態において、波動歯車装置は、波生成装置(ウェーブ・ジェネレータ)と、それ自体第1ギア歯セットを有するフレクスプライン(flexspline)と、それ自体第2ギア歯セットを有する円形スプライン(サーキュラ・スプライン)とを備え、波生成装置、フレクスプライン、円形スプラインのうち少なくとも1つはバルク金属ガラス系材料を含む。   The systems and methods according to embodiments of the present invention embody bulk metallic glass-based wave gear devices and wave gear device components. In one embodiment, the wave gear device comprises a wave generator, a flexspline having a first gear tooth set, and a circular spline having a second gear tooth set (circular And at least one of the wave generator, flexspline, and circular spline includes a bulk metallic glass-based material.

他の実施形態において、波生成装置は、波生成装置プラグ及び軸受を有する。   In other embodiments, the wave generator has a wave generator plug and a bearing.

さらに他の実施形態において、軸受は玉軸受とする。   In yet another embodiment, the bearing is a ball bearing.

他の実施形態において、波生成装置、フレクスプライン、及び円形スプラインのそれぞれがバルク金属ガラス系材料を含む。   In other embodiments, each of the wave generator, flexspline, and circular spline comprises a bulk metallic glass-based material.

さらに他の実施形態において、第1セットのギア歯及び第2セットギア歯の少なくとも一方がバルク金属ガラス系材料を含む。   In still other embodiments, at least one of the first set of gear teeth and the second set gear teeth includes a bulk metallic glass-based material.

さらに他の実施形態において、第1セットのギア歯及び第2セットのギア歯のそれぞれがバルク金属ガラス系材料を含む。   In still other embodiments, each of the first set of gear teeth and the second set of gear teeth includes a bulk metallic glass-based material.

さらに他の実施形態において、波生成装置はバルク金属ガラス系材料を含む玉軸受を有する。   In yet another embodiment, the wave generator has a ball bearing that includes a bulk metallic glass-based material.

さらに他の実施形態において、最大量で存在するバルク金属ガラス系材料の元素は、Fe、Zr、Ti、Ni、Hf、及びCuのうちの1つである。   In yet another embodiment, the element of the bulk metallic glass-based material that is present in the maximum amount is one of Fe, Zr, Ti, Ni, Hf, and Cu.

さらに他の実施形態において、バルク金属ガラス系材料の元素は、Ni40Zr28.5Ti16.5Al10Cuである。さらに他の実施形態において、波生成装置は、楕円形状の断面図を有する波生成装置プラグと、内側レース、外側レース、及び複数の転動部材を有する軸受とを備え、波生成装置プラグは軸受内に配置して、軸受が波生成装置プラグの楕円形状に合致できるようにし、波生成プラグ及び軸受の少なくとも一方はバルク金属ガラス系材料を含む。 In yet another embodiment, the element of the bulk metallic glass-based material is Ni 40 Zr 28.5 Ti 16.5 Al 10 Cu 5 . In yet another embodiment, the wave generator comprises a wave generator plug having an elliptical cross-sectional view, and a bearing having an inner race, an outer race, and a plurality of rolling members, the wave generator plug being a bearing. Arranged within the bearing to allow the bearing to conform to the elliptical shape of the wave generator plug, at least one of the wave generator plug and the bearing comprises a bulk metallic glass-based material.

他の実施形態において、軸受は玉軸受である。   In other embodiments, the bearing is a ball bearing.

さらに他の実施形態において、フレクスプラインは円形形状を画定する可撓性本体を備え、円形形状の外周は一組のギア歯セットを画定し、また可撓性本体はバルク金属ガラス系材料を含む。   In yet another embodiment, the flexspline comprises a flexible body that defines a circular shape, the circular perimeter defines a set of gear teeth, and the flexible body includes a bulk metallic glass-based material. .

さらに他の実施形態において、一組のギア歯セットがバルク金属ガラス系材料を含む。   In still other embodiments, a set of gear teeth includes a bulk metallic glass-based material.

さらに他の実施形態において、円形スプラインは、リング状の本体を備え、リング状本体の内周は一組のギア歯セットを画定し、リング状本体はバルク金属ガラス系材料を含む。   In yet another embodiment, the circular spline comprises a ring-shaped body, the inner periphery of the ring-shaped body defines a set of gear teeth, and the ring-shaped body includes a bulk metallic glass-based material.

さらなる実施形態において、一組のギア歯セットがバルク金属ガラス系材料を含む。   In a further embodiment, a set of gear teeth includes a bulk metallic glass-based material.

さらに他の実施形態において、波動歯車装置コンポーネントを作製する方法は、熱可塑性形成技術及び鋳造技術のうち一方と関連する成形型を使用してBMG系材料を成形するステップを有し、BMG系材料は、波生成装置プラグ、内側レース、外側レース、転動素子、フレクスプライン、一組のギア歯セットを持たないフレクスプライン、円形スプライン、一組のギア歯セットを持たない円形スプライン、フレクスプライン内に組み込むべき一組のギア歯セット、及び円形スプラインに組み込むべき一組のギア歯セットのうちの一つとして成形する。   In yet another embodiment, a method of making a wave gear device component comprises forming a BMG-based material using a mold associated with one of a thermoplastic forming technique and a casting technique, and the BMG-based material Wave generator plug, inner race, outer race, rolling element, flexspline, flexspline without one set of gear teeth, circular spline, circular spline without one set of gear teeth, flexspline Are formed as one of a set of gear teeth to be incorporated into a circular spline and a set of gear teeth to be incorporated into a circular spline.

さらに他の実施形態において、波動歯車装置コンポーネントを作製する方法は、さらに、熱可塑性形成技術又は鋳造技術のいずれかによって成形した後にBMG系材料を機械加工するステップを有する。   In yet another embodiment, the method of making a wave gear device component further comprises machining the BMG-based material after molding by either thermoplastic forming technology or casting technology.

他の実施形態において、BMG系材料は、一組のギア歯セットを持たないフレクスプライン及び一組のギア歯セットを持たない円形スプラインのうちの一方として成形し、ギア歯をBMG系材料に対して機械加工する。   In other embodiments, the BMG-based material is molded as one of a flexspline without a set of gear teeth and a circular spline without a set of gear teeth, and the gear teeth are relative to the BMG-based material. Machine.

さらに他の実施形態において、BMG系材料は、一組のギア歯セットを持たないフレクスプライン及び一組のギア歯セットを持たない円形スプラインのうちの一方として成形し、ギア歯を、双ロール形成技術を使用してBMG系材料に対して具現化する。   In yet another embodiment, the BMG-based material is molded as one of a flexspline without a set of gear teeth and a circular spline without a set of gear teeth, and the gear teeth are formed into a twin roll. Use technology to embody BMG-based materials.

さらに他の実施形態において、BMG系材料は、直接鋳造技術、ブロー成形技術、及び遠心鋳造技術のうち1つを使用して成形する。   In yet other embodiments, the BMG-based material is molded using one of direct casting techniques, blow molding techniques, and centrifugal casting techniques.

本発明の実施形態により、BMG系材料から作製することができる波動歯車装置を示す。4 shows a wave gear device that can be made from a BMG-based material according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による波動歯車装置の動作を示す。The operation | movement of the wave gear apparatus by embodiment of this invention is shown. 本発明の実施形態による波動歯車装置の動作を示す。The operation | movement of the wave gear apparatus by embodiment of this invention is shown. 本発明の実施形態による波動歯車装置の動作を示す。The operation | movement of the wave gear apparatus by embodiment of this invention is shown. 本発明の実施形態による波動歯車装置の動作を示す。The operation | movement of the wave gear apparatus by embodiment of this invention is shown. 波動歯車装置の通常の平均寿命を示す。The normal life expectancy of a wave gear device is shown. 本発明の実施形態による波動歯車装置コンポーネント内で具現化できるBMG系材料の疲労特性を示す。FIG. 6 illustrates fatigue properties of BMG-based materials that can be embodied in a wave gear device component according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による波動歯車装置コンポーネント内で具現化できるBMG系材料の疲労特性を示す。FIG. 6 illustrates fatigue properties of BMG-based materials that can be embodied in a wave gear device component according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による波動歯車装置コンポーネント内で具現化できるチタンニウムBMG系材料の耐磨耗性特性を示す。FIG. 4 illustrates the wear resistance characteristics of a titanium-nium BMG-based material that can be embodied in a wave gear device component according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態によるBMG系波動歯車装置コンポーネントを形成する方法を示す。2 illustrates a method of forming a BMG-based wave gear device component according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、鋳造技術を使用したギアの形成を示す。FIG. 6 illustrates gear formation using casting techniques in accordance with an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態による、鋳造技術を使用したギアの形成を示す。FIG. 6 illustrates gear formation using casting techniques in accordance with an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態による、鋳造技術を使用したギアの形成を示す。FIG. 6 illustrates gear formation using casting techniques in accordance with an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態による、鋳造技術を使用したギアの形成を示す。FIG. 6 illustrates gear formation using casting techniques in accordance with an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態による、鋳造技術を使用した波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using casting techniques, according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、鋳造技術を使用した波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using casting techniques, according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、鋳造技術を使用した波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using casting techniques, according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、鋳造技術を使用した波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using casting techniques, according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、熱可塑性形成技術と関連してシート形態のBMG系材料を使用した、波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using a BMG-based material in sheet form in conjunction with a thermoplastic forming technique, according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、熱可塑性形成技術と関連してシート形態のBMG系材料を使用した、波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using a BMG-based material in sheet form in conjunction with a thermoplastic forming technique, according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、熱可塑性形成技術と関連してシート形態のBMG系材料を使用した、波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using a BMG-based material in sheet form in conjunction with a thermoplastic forming technique, according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、スピン形成技術を使用した波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using spin formation technology, in accordance with an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、スピン形成技術を使用した波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using spin formation technology, in accordance with an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、スピン形成技術を使用した波動歯車装置コンポーネントの作成を示す。FIG. 6 illustrates the creation of a wave gear device component using spin formation technology, in accordance with an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、ブロー成形技術を使用した波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using blow molding technology according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、ブロー成形技術を使用した波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using blow molding technology according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、ブロー成形技術を使用した波動歯車装置コンポーネントの作製を示す。FIG. 4 illustrates the fabrication of a wave gear device component using blow molding technology according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、遠心鋳造を使用した波動歯車装置コンポーネントの形成を示す。FIG. 6 illustrates the formation of a wave gear device component using centrifugal casting according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、遠心鋳造を使用した波動歯車装置コンポーネントの形成を示す。FIG. 6 illustrates the formation of a wave gear device component using centrifugal casting according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、粉末形態のBMG形材料を熱可塑的に形成することでの波動歯車装置コンポーネントの形成を示す。FIG. 6 illustrates the formation of a wave gear component by thermoplastically forming a BMG type material in powder form, in accordance with an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、粉末形態のBMG形材料を熱可塑的に形成することでの波動歯車装置コンポーネントの形成を示す。FIG. 6 illustrates the formation of a wave gear component by thermoplastically forming a BMG type material in powder form, in accordance with an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、粉末形態のBMG形材料を熱可塑的に形成することでの波動歯車装置コンポーネントの形成を示す。FIG. 6 illustrates the formation of a wave gear component by thermoplastically forming a BMG type material in powder form, in accordance with an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、双ロール形成技術を使用して、ギア歯をBMG系波動歯車装置コンポーネントに対して具現化することを示す。FIG. 4 illustrates implementing gear teeth for a BMG based wave gear component using a twin roll forming technique according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、図14に概要を示したプロセスに基づくフレクスプラインの形成を示す。FIG. 15 illustrates the formation of a flexspline based on the process outlined in FIG. 14 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、図14に概要を示したプロセスに基づくフレクスプラインの形成を示す。FIG. 15 illustrates the formation of a flexspline based on the process outlined in FIG. 14 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、図14に概要を示したプロセスに基づくフレクスプラインの形成を示す。FIG. 15 illustrates the formation of a flexspline based on the process outlined in FIG. 14 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、図14に概要を示したプロセスに基づくフレクスプラインの形成を示す。FIG. 15 illustrates the formation of a flexspline based on the process outlined in FIG. 14 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、図14に概要を示したプロセスに基づくフレクスプラインの形成を示す。FIG. 15 illustrates the formation of a flexspline based on the process outlined in FIG. 14 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、図14に概要を示したプロセスによるフレクスプラインの形成を示す。FIG. 15 illustrates the formation of a flexspline by the process outlined in FIG. 14 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による波動歯車装置コンポーネントの作製において、鋳造プロセスがよく制御されていることを示す。In the production of wave gear device components according to embodiments of the present invention, it is shown that the casting process is well controlled. 本発明の実施形態による波動歯車装置コンポーネントを任意の適切なスケールで作成できることを示す。FIG. 5 illustrates that wave gear components according to embodiments of the present invention can be made at any suitable scale. 本発明の実施形態による円形スプラインの作製を示す。Fig. 4 shows the creation of a circular spline according to an embodiment of the invention. 本発明の実施形態による円形スプラインの作製を示す。Fig. 4 shows the creation of a circular spline according to an embodiment of the invention. 本発明の実施形態による、BMG系材料から波動歯車装置コンポーネントを鋳造又は熱可塑形成する費用便益性を示す。6 illustrates the cost benefit of casting or thermoplastic forming wave gear device components from BMG-based materials according to embodiments of the present invention. スチール系フレクスプラインを示す。A steel flexspline is shown.

図面につき説明すると、バルク金属ガラス系波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントを具現化するシステム及び方法を示す。多くの実施形態において、対応の波動歯車装置における波生成装置、フレクスプライン、及び円形スプラインのうち少なくとも1つは、バルク金属ガラス系材料を含むものとする。多くの実施形態において、少なくともフレクスプラインはバルク金属ガラス系材料を含むものとする。多くの実施形態において、波生成装置、フレクスプライン、及び円形スプラインのそれぞれがバルク金属ガラス系材料を含むものとする。   Referring to the drawings, systems and methods for implementing bulk metallic glass-based wave gear devices and wave gear device components are shown. In many embodiments, at least one of the wave generator, flexspline, and circular spline in the corresponding wave gear device shall comprise a bulk metallic glass-based material. In many embodiments, at least the flexspline will comprise a bulk metallic glass-based material. In many embodiments, each of the wave generator, flexspline, and circular spline will comprise a bulk metallic glass-based material.

金属ガラスは、アモルファス合金(又は代替的にはアモルファス金属)としても知られ、それらの金属成分元素が何にせよ、不規則な原子スケール構造によって特徴付けられ、すなわち、普通の金属材料は一般的に高度に規則的な構造を有するが、金属ガラス材料は不規則な原子構造によって特徴付けられる。特に、金属ガラスは、一般的に、多くの有用な金属特性を有し、それらは高度に有効なエンジニアリング材料として具現化できる。例えば、金属ガラスは、一般的に従来の金属よりもずっと硬く、また一般的にセラミック材料よりも強靭である。それらはまた、比較的腐食しにくく、また、従来のガラスと異なり、高い導電性を有することができる。重要なことには、金属ガラス材料の製造自体は、比較的簡単な処理に適している。特に、金属ガラスの製造は、射出成形プロセス、又は任意な同様の注型成形プロセスに適合することができる。   Metallic glasses, also known as amorphous alloys (or alternatively amorphous metals), are characterized by an irregular atomic scale structure whatever their metal component elements, ie ordinary metal materials are common Although having a highly ordered structure, metallic glass materials are characterized by an irregular atomic structure. In particular, metallic glasses generally have many useful metallic properties that can be implemented as highly effective engineering materials. For example, metallic glasses are generally much harder than conventional metals and are generally tougher than ceramic materials. They are also relatively resistant to corrosion and can be highly conductive, unlike conventional glasses. Importantly, the production of the metallic glass material itself is suitable for relatively simple processing. In particular, the production of metallic glass can be adapted to an injection molding process or any similar casting process.

それにも関わらず、金属ガラスの製造には、エンジニアリング材料としての実現可能性を制限する難題がある。特に、金属ガラスは、一般的に、金属合金をその融点以上に加熱し、また急速に融解物を冷却して、その結晶化を回避するように固体化し、それによって、金属ガラスを形成する。初期における金属ガラスは、例えば、10K/sのオーダーの激甚な冷却速度を必要とし、またそれによって、形成できる厚さには限界があった。実際、この厚さ限界によって、金属ガラスは、初期的にはコーティング用途に限定された。しかし、その後、結晶化に対してより抵抗性のある特別な合金組成物が開発され、それによって、相当緩慢な冷却速度で金属ガラスを形成でき、従って、相当厚く作成できるようになった(例えば、1mmよりも厚い)。これらより厚い金属ガラスは、「バルク金属ガラス(bulk metallic glasses)」(「BMGs」)として知られている。 Nevertheless, the production of metallic glass presents challenges that limit its feasibility as an engineering material. In particular, metallic glasses generally heat a metal alloy above its melting point and rapidly cool the melt to solidify to avoid its crystallization, thereby forming a metallic glass. The early metallic glass required a drastic cooling rate on the order of, for example, 10 6 K / s, and there was a limit to the thickness that could be formed. In fact, due to this thickness limitation, metallic glass was initially limited to coating applications. However, later, special alloy compositions that were more resistant to crystallization were developed, which allowed metal glasses to be formed with a much slower cooling rate and thus made considerably thicker (e.g. Thicker than 1 mm). These thicker metallic glasses are known as “bulk metallic glasses” (“BMGs”).

BMGの開発に加えて、「バルク金属ガラス・マトリックス複合材」(BMGMCs)も開発された。BMGMCsは、BMGsのアモルファス構造を有するが、アモルファス構造マトリックス内に材料の結晶相も含んでいるという特徴がある。例えば、結晶相は樹枝状の形式で存在することができる。結晶相によって、全体がアモルファス構造で構成される材料と比較して、材料が高い延性を有することができる。   In addition to the development of BMG, “bulk metallic glass-matrix composites” (BMGMCs) were also developed. BMGMCs have an amorphous structure of BMGs, but are characterized by including the crystalline phase of the material in the amorphous structure matrix. For example, the crystalline phase can exist in a dendritic form. The crystalline phase allows the material to have higher ductility compared to a material that is entirely composed of an amorphous structure.

これらの開発があっても、現在の技術はまだBMG系材料の有益な材料特性を十分に評価されていない(本明細書を通して、用語「BMG系材料」は、特に断りのない限り、BMGs及びBMGMCsを含むことを意味する)。その結果、BMG系材料はエンジニアリング用途に使用が限定されてきた。例えば、様々な刊行物が結論付け、大きく実証されたことには、BMG系材料の実行可能性はマイクロスケールの構造にほぼ限定されている(例えば、非特許文献1(G. Kumar et al., Adv. Mater. 2011, 23, 461-476)、及び非特許文献2(M. Ashby et al., Scripta Materialia 54 (2006) 321-326)参照されたく、これら開示は参照により本明細書に組み入れられるものとする)。これは、一つには、破壊力学を含むBMG系材料の材料特性が試料サイズと相関するからである。例えば、BMG材料の延性はその厚さと逆相関することが観察されている(例えば、非特許文献3(Conner, Journal of Applied Physics, Volume 94, Number 2, July 15, 2003, pgs. 904-911)参照されたく、この開示は参照により本明細書に組み入れられるものとする)。重要なことには、コンポーネントの寸法が大きくなるにつれて、より一層脆性破壊を受け易くなる。従って、これらの理由又は他の理由から、当業者が一般的に助言することには、BMG系材料はMEMS装置等のマイクロスケール構造にとって優れた材料となり得るが、一般的にはマクロスケールのコンポーネントに使用するべきではないと助言している(例えば、非特許文献1(G. Kumar et al., Adv. Mater. 2011, 23, 461-476)参照)。実際、G.Kumar氏らは、脆性破壊を塑性領域サイズに関連付け、塑性領域半径の約10倍の試料厚さは、5%の曲げ可塑度を示すことができると総括した。従って、G.Kumar氏らは、Vitreloyの厚さ1mm試料は、5%の曲げ可塑度を示すことができると結論付けた。   Even with these developments, current technology has not yet fully evaluated the beneficial material properties of BMG-based materials (throughout this specification, the term “BMG-based material” refers to BMGs and Meaning that it contains BMGMCs). As a result, the use of BMG-based materials has been limited to engineering applications. For example, various publications have concluded and extensively demonstrated that the viability of BMG-based materials is almost limited to microscale structures (see, for example, Non-Patent Document 1 (G. Kumar et al. , Adv. Mater. 2011, 23, 461-476), and Non-Patent Document 2 (M. Ashby et al., Scripta Materialia 54 (2006) 321-326), the disclosures of which are hereby incorporated by reference. To be incorporated). This is partly because the material properties of BMG materials, including fracture mechanics, correlate with sample size. For example, it has been observed that the ductility of BMG material is inversely correlated with its thickness (eg, Non-Patent Document 3 (Conner, Journal of Applied Physics, Volume 94, Number 2, July 15, 2003, pgs. 904-911). ), The disclosure of which is hereby incorporated by reference). Importantly, as component dimensions increase, they are more susceptible to brittle fracture. Thus, for these or other reasons, those skilled in the art generally advise that BMG-based materials can be excellent materials for microscale structures such as MEMS devices, but in general macroscale components (See, for example, Non-Patent Document 1 (G. Kumar et al., Adv. Mater. 2011, 23, 461-476)). In fact, G. Kumar et al. Summarized that brittle fracture is associated with plastic region size, and a sample thickness of about 10 times the plastic region radius can exhibit a bending plasticity of 5%. Therefore, G. Kumar et al. Concluded that a 1 mm thick sample of Vitreloy can exhibit 5% bend plasticity.

従来の理解によれば、BMG系材料の用途が限定されることを示唆する一方で、BMG系材料の耐摩耗性を喧伝してもいる(例えば、非特許文献4(Wu, Trans. Nonferrous Met. Soc. China22 (2012), 585-589; Wu, Intermetallics 25 (2012) 115-125)、非特許文献5(Kong, Tribal Lett (2009) 35:151-158; Zenebe, Tribol Lett (2012) 47:131-138)、非特許文献6(Chen, J. Mater. Res., Vol. 26, No. 20, Oct 28, 2011; Liu, Tribol Lett (2012) 46:131-138)参照されたく、これら開示は参照によって本明細書に組み入れられるものとする)。明確にするため、「磨耗」は通常、他の材料との力学的相互作用の直接結果としての、材料表面の変位を示すものである。一般的には、磨耗に対する材料の抵抗性は、一般的にその硬度につれて大きくなる、すなわち、材料が硬くなればなるほど、磨耗を受けにくくなると理解される(例えば、非特許文献7(I.L. Singer, Wear, Volume 195, Issues 1-2, July 1996, Pages 7-20)参照)。これらの理解に基づいて、BMGsの予期した耐摩耗特性によれば、ギアには広範囲に力学的相互作用が及び、それによって摩耗に晒されることから、小型歯車を作製する材料の優れた候補に挙げることができると示唆されてきた(例えば、非特許文献8(Chen, J. Mater. Res., Vol. 26, No. 20, Oct 28, 2011)、非特許文献9(Huang, Intermetallics 19 (2011) 1385-1389)、非特許文献10(Liu, Tribol Lett (2009) 33:205-210)、非特許文献11(Zhang, Materials Science and Engineering A, 475 (2008) 124-127)、非特許文献12(Ishida, Materials Science and Engineering A, 449-451 (2007) 149-154)参照されたく、これら開示は参照によって本明細書に組み入れられるものとする)。従って、上述の洞察に従って、マイクロスケールのギアが作製されてきた(非特許文献12参照されたく、この開示は参照によって本明細書に組み入れられるものとする)。   Conventional understanding suggests that the use of BMG-based materials is limited, but also promotes the wear resistance of BMG-based materials (for example, Non-Patent Document 4 (Wu, Trans. Nonferrous Met Soc. China22 (2012), 585-589; Wu, Intermetallics 25 (2012) 115-125), Non-Patent Document 5 (Kong, Tribal Lett (2009) 35: 151-158; Zenebe, Tribol Lett (2012) 47 : 131-138), Non-Patent Document 6 (Chen, J. Mater. Res., Vol. 26, No. 20, Oct 28, 2011; Liu, Tribol Lett (2012) 46: 131-138). The disclosures of which are hereby incorporated by reference). For clarity, “wear” usually refers to the displacement of the material surface as a direct result of mechanical interaction with other materials. In general, it is understood that the resistance of a material to wear generally increases with its hardness, i.e., the harder the material, the less susceptible to wear (e.g., Non-Patent Document 7 (IL Singer, Wear, Volume 195, Issues 1-2, July 1996, Pages 7-20)). Based on these understandings, the expected wear resistance properties of BMGs indicate that gears have a wide range of mechanical interactions and are therefore subject to wear, making them an excellent candidate for materials for making small gears. (For example, Non-Patent Document 8 (Chen, J. Mater. Res., Vol. 26, No. 20, Oct 28, 2011), Non-Patent Document 9 (Huang, Intermetallics 19 ( 2011) 1385-1389), Non-Patent Document 10 (Liu, Tribol Lett (2009) 33: 205-210), Non-Patent Document 11 (Zhang, Materials Science and Engineering A, 475 (2008) 124-127), Non-Patent Reference 12 (Ishida, Materials Science and Engineering A, 449-451 (2007) 149-154), the disclosures of which are incorporated herein by reference). Thus, in accordance with the above insights, microscale gears have been made (see Non-Patent Document 12, the disclosure of which is hereby incorporated by reference).

しかし、上述した従来の見識に反して、Hofmann氏らは、BMG系材料は有益にも様々な他の用途で具現化できることを実証した。例えば、特許文献1(Hofmann氏らの米国特許第13/928109号)は、マクロスケールでのギアの作製のためBMG系材料をどのように開発できるかの方法を開示している。特に、特許文献1は、Ishida氏がBMG系ギアの作製を実証した一方で、その実証は、作製したギアが小さい寸法であり(また、それによって、マクロサイズのエンジニアリング部品として同一モードの破壊を受けることがなかった)、また歯車は、脆性破壊する傾向を軽減することができる潤滑油を使用して動作したものである限りにおいて、限定的なものであったと、説明している。概して、Hofmann氏らは、従来技術は主にBMG系材料の耐摩耗特性を役立てることに関連し、その結果、最も硬いBMG系材料を実現することに傾注している、と説明している。この設計手法は、最も硬い材料が他の破壊モードを受け易くなる限りにおいて限界がある。実際、Hofmann氏らは、マクロスケールのギアの作製における最も硬いBMG系材料は一般的には、動作中に破損するギアを産出することを実証している。従って、Hofmann氏らは、破壊靱性に関する有利な特性を有するよう、またそれによって、機能するのに潤滑油を必ずしも必要としないマクロスケールのギアを作製できるよう、BMG系材料を開発できることを開示している。特許文献1は参照によって本明細書に組み入れられるものとする。さらに、特許文献2(Hofmann氏らの米国特許第13/942932号)は、BMG系材料が他の有利な材料特性を有し、それによって、マクロスケールの順応性(コンプライアンス)機構の作製に使用できることを開示している。特許文献2の開示は参照によって本明細書に組み入れられるものとする。   However, contrary to the conventional insights described above, Hofmann et al. Demonstrated that BMG-based materials can be beneficially embodied in a variety of other applications. For example, US Pat. No. 6,928,109 to Hofmann et al. Discloses how BMG-based materials can be developed for making gears on a macro scale. In particular, Patent Document 1 demonstrated that Mr. Ishida demonstrated the production of BMG gears, but the demonstration was that the gears produced were of small dimensions (and thus the destruction of the same mode as a macro-sized engineering part). He explained that the gear was limited insofar as it operated using a lubricant that could reduce the tendency to brittle fracture. In general, Hofmann et al. Explain that the prior art is mainly related to making use of the wear resistance properties of BMG-based materials and, as a result, focusing on achieving the hardest BMG-based materials. This design approach is limited as long as the hardest material is susceptible to other failure modes. In fact, Hofmann et al. Have demonstrated that the hardest BMG-based materials in making macro-scale gears generally yield gears that break during operation. Thus, Hofmann et al. Disclose that BMG-based materials can be developed to have advantageous properties with respect to fracture toughness and thereby create macro-scale gears that do not necessarily require a lubricant to function. ing. U.S. Pat. No. 6,057,097 is incorporated herein by reference. In addition, US Pat. No. 6,943,932 (Hofmann et al., US Pat. No. 13,942,932) describes that BMG-based materials have other advantageous material properties and are therefore used to create macro-scale compliance mechanisms. We disclose what we can do. The disclosure of Patent Document 2 is incorporated herein by reference.

この背景に反して、BMG系材料の多用途性は十分評価されていないことは明らかである。本明細書は、BMG系材料をどのように開発し、それによって、波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネント内に組み込めるかを開示する。例えば、BMG系材料は、高疲労耐久性、高破壊靱性、優れた滑り摩擦特性、低密度、及び高弾性を有するように開発することができる。従って、これら特性を有するように開発されるとき、BMG系材料は、好ましくは、波動歯車装置の構成コンポーネントの製造において具現化し、それによって、波動歯車装置の動作の多くの態様に具現化することができる。例えば、BMG系材料を組み込む波動歯車装置は、より大きな動作荷重に耐えることができ、より軽量にすることができ、また、耐用寿命を長くすることができる。さらに、BMG系材料は、所望ジオメトリ(幾何学的表面形状)となるよう鋳造する又は熱可塑的に形成することができるため、波動歯車装置の構成部品の形状に鋳造する又は熱可塑的に形成することができる。このようにして、スチール系の波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントの製造において遍在する高額な機械加工プロセスは、排除されないまでも、減らすことができる。要するに、BMG系材料を組み込む波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントは、より低いコストで相当改善した性能を提供することができる。波動歯車装置の一般的な動作を以下で詳細に説明する。   Contrary to this background, it is clear that the versatility of BMG-based materials has not been fully evaluated. This specification discloses how BMG-based materials can be developed and thereby incorporated into wave gearing and wave gearing components. For example, BMG-based materials can be developed to have high fatigue durability, high fracture toughness, excellent sliding friction properties, low density, and high elasticity. Thus, when developed to have these properties, BMG-based materials are preferably embodied in the manufacture of the component components of a wave gear device, thereby embodying many aspects of the operation of the wave gear device. Can do. For example, a wave gear device incorporating a BMG-based material can withstand a larger operating load, can be lighter, and can have a longer useful life. Further, since the BMG-based material can be cast or thermoplastically formed to have a desired geometry (geometric surface shape), it can be cast or thermoplastically formed into the shape of a component of a wave gear device. can do. In this way, expensive machining processes that are ubiquitous in the manufacture of steel-based wave gearing and wave gearing components can be reduced if not eliminated. In short, wave gear devices and wave gear device components incorporating BMG-based materials can provide significantly improved performance at a lower cost. The general operation of the wave gear device will be described in detail below.

波動歯車装置の動作
本発明の多くの実施形態において、波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントは、BMG系材料を組み込んで提供し、それによって、改善した性能特性を有する。背景を説明するため、波動歯車装置の基本動作原理を概説する。
Wave Gear Device Operation In many embodiments of the present invention, wave gear devices and wave gear device components are provided incorporating BMG-based materials, thereby having improved performance characteristics. In order to explain the background, the basic operation principle of the wave gear device will be outlined.

図1は、本発明の実施形態による、BMG系材料から作製することができる代表的な波動歯車装置の分解図を示す。特に、波動歯車装置100は、波生成装置(ウェーブ・ジェネレータ)102、フレクスプライン(フレックススプライン)108、及び円形スプライン(サーキュラ・スプライン)112を備える。図示の波生成装置102は、波生成装置プラグ104及び玉軸受106を有する。重要なことには、波生成装置プラグ104は、楕円形の形状にし、また玉軸受106内に配置し、玉軸受106が楕円形状に合致できるようにする。この構成において、玉軸受106の外側レースは、波生成装置プラグ104に対して回転することができる。図示の実施形態において、フレクスプライン108は、カップ形状として示し、とくに、このカップの外周縁は、一連のギア歯110のセットを有する。図では、フレクスプラインを玉軸受上に装着し、フレクスプラインの外周縁が上述の楕円形状に合致できるようにする。この実施形態において、玉軸受によってフレクスプラインが波生成装置プラグに対して回転できることに留意されたい。円形スプライン112は、リング形状であり、重要なことには、リング内周が一連のギア歯セットを有する点である。通常、円形スプライン114にはフレクスプラインのギア歯110よりも多くのギア歯が存在する。多くの実施例において、円形スプライン112にはフレクスプライン108よりも2つ多いギア歯が存在する。一般的には、フレクスプライン108は、円形スプライン112内に嵌合し、この嵌合は、フレクスプラインのギア歯110が円形スプライン114のギア歯に噛み合うよう行う。とくに、フレクスプラインのギア歯110は楕円形状に合致するため、楕円形の長軸に近接するギア歯のみが、通常の場合円形スプライン114のギア歯に係合する。逆に、楕円形の短軸に近接するフレクスプラインのギア歯110は、円形スプライン114のギア歯から離脱する。多くの実施例において、フレクスプラインのギア歯110の30%は、円形スプライン114のギア歯と係合する。この構成で、波生成装置プラグ104は楕円形の中心軸線周りに第1方向に回転することができ、それによって、フレクスプライン108を楕円形の中心軸線周りに第2反対方向に異なる回転速度で(一般的にはより緩慢に)回転させることができる。このことは、フレクスプライン108を、波生成装置プラグ114の回転の結果生ずる偏位に順応できる可撓性材料から形成することで達成し得る。   FIG. 1 shows an exploded view of a representative wave gear device that can be made from a BMG-based material according to an embodiment of the present invention. In particular, the wave gear device 100 includes a wave generating device (wave generator) 102, a flex spline (flex spline) 108, and a circular spline (circular spline) 112. The illustrated wave generator 102 includes a wave generator plug 104 and a ball bearing 106. Importantly, the wave generator plug 104 is oval in shape and is disposed within the ball bearing 106 so that the ball bearing 106 can conform to the oval shape. In this configuration, the outer race of the ball bearing 106 can rotate relative to the wave generator plug 104. In the illustrated embodiment, the flex spline 108 is shown as a cup shape, and in particular, the outer periphery of the cup has a set of gear teeth 110. In the figure, the flexspline is mounted on a ball bearing so that the outer peripheral edge of the flexspline can match the above-mentioned elliptical shape. Note that in this embodiment, the flex spline can be rotated relative to the wave generator plug by the ball bearing. The circular spline 112 is ring-shaped and, importantly, the ring inner circumference has a series of gear tooth sets. Typically, there are more gear teeth in the circular spline 114 than the flex spline gear teeth 110. In many embodiments, the circular spline 112 has two more gear teeth than the flexspline 108. In general, the flexspline 108 fits within the circular spline 112 such that the flexspline gear teeth 110 mesh with the gear teeth of the circular spline 114. In particular, since the gear teeth 110 of the flexspline conform to an elliptical shape, only the gear teeth close to the major axis of the elliptical shape normally engage with the gear teeth of the circular spline 114. Conversely, flexspline gear teeth 110 close to the elliptical minor axis disengage from the circular spline 114 gear teeth. In many embodiments, 30% of flexspline gear teeth 110 engage the gear teeth of circular spline 114. With this configuration, the wave generator plug 104 can rotate in a first direction around the elliptical central axis, thereby causing the flexspline 108 to rotate around the elliptical central axis in a second opposite direction at different rotational speeds. It can be rotated (generally more slowly). This can be accomplished by forming the flexspline 108 from a flexible material that can accommodate the deflection resulting from the rotation of the wave generator plug 114.

図2A〜2Dは、BMG系材料から作成することができる、本発明の実施形態による波動歯車装置の通常動作を示す。特に、図2Aは波動歯車装置を示し、この場合、波生成装置プラグ204は、楕円形の長軸が図面に対して垂直方向となる第1配向状態にある。この開始位置を「0°」と指定する。矢印216は、説明目的でフレクスプライン208のギア歯のうち図2A〜2Dにおいて考慮される1個を指定する。図2Bは、波生成装置プラグ204が時計回りで90°回転したことを示す。波生成装置プラグ204の回転によって、フレクスプライン208を特定様態で偏位させ、その結果、矢印216に対応するギア歯は、円形スプライン214のギア歯から離脱する。とくに、矢印216に対応するギア歯は、波生成装置プラグ204の90°の時計回りの回転に関連してわずかに反時計回りに回転している。図2Cは、波生成装置プラグ204は、さらに他の90°時計回りに回転し、初期開始位置に対して180°時計回りに回転している。図において、矢印216によって指定したギア歯は、円形スプライン214のギア歯と初期開始位置に対してわずかに反時計回りの位置で再係合している。図4Dは、波生成装置プラグ204が初期開始位置に対して完全に360°時計回りに回転していることを示す。その結果、216によって示したギア歯は、図2Cにおいて示した位置よりもさらに反時計回りに回転している。総じて、図2A〜2Dにおいて、波生成装置プラグ204の一方向における完全な360°の回転の結果、フレクスプライン208のわずかな逆方向回転を生ずることが分かる。このようにして、波動歯車装置は、小さい設置面積内で比較的高い減速比を達成することができる。一般的には、入力トルクを波生成装置プラグ204に加えるとともに、フレクスプライン208が対応出力トルクを発生する。   2A-2D illustrate the normal operation of a wave gear device according to an embodiment of the present invention that can be made from a BMG-based material. In particular, FIG. 2A shows a wave gear device in which the wave generator plug 204 is in a first orientation with the major axis of the ellipse being perpendicular to the drawing. This start position is designated as “0 °”. Arrow 216 designates one of the gear teeth of flexspline 208 considered for purposes of illustration in FIGS. FIG. 2B shows that the wave generator plug 204 has been rotated 90 ° clockwise. The rotation of wave generator plug 204 causes flex spline 208 to deflect in a particular manner so that the gear tooth corresponding to arrow 216 is disengaged from the gear tooth of circular spline 214. In particular, the gear teeth corresponding to arrow 216 are rotating slightly counterclockwise in relation to the 90 ° clockwise rotation of wave generator plug 204. In FIG. 2C, the wave generator plug 204 is further rotated 90 ° clockwise and rotated 180 ° clockwise relative to the initial start position. In the figure, the gear teeth designated by arrows 216 are re-engaged with the gear teeth of the circular spline 214 in a slightly counterclockwise position relative to the initial starting position. FIG. 4D shows that the wave generator plug 204 is fully rotated 360 ° clockwise relative to the initial starting position. As a result, the gear tooth indicated by 216 is rotating further counterclockwise than the position shown in FIG. 2C. Overall, in FIGS. 2A-2D, it can be seen that a complete 360 ° rotation in one direction of the wave generator plug 204 results in a slight reverse rotation of the flexspline 208. In this way, the wave gear device can achieve a relatively high reduction ratio within a small installation area. In general, the input torque is applied to the wave generator plug 204 and the flex spline 208 generates a corresponding output torque.

当然ながら、波動歯車装置設計の実施例を図示及び詳述したが、任意の適切な波動歯車装置設計及び波動歯車装置コンポーネントを、本発明の実施形態に従ってBMG系材料から作製できることを理解されたい。例えば、フレクスプラインは、任意の適切な形状をとることができ、「カップ状」である必要はない。同様に、玉軸受ではなく、任意なタイプの軸受を実装することができる。例えば、針状ころ軸受を実装することができる。明確に言えば、本出願明細書は、いかなる特定の波動歯車装置設計又は波動歯車装置コンポーネント設計にも限定することを意図しない。以下に、BMG系材料をどのように波動歯車装置コンポーネント内で具現化し、本発明による波動歯車装置の性能を改善することができるかについて詳述する。   Of course, although examples of wave gear device designs have been shown and described, it should be understood that any suitable wave gear device design and wave gear component can be made from BMG-based materials in accordance with embodiments of the present invention. For example, the flexspline can take any suitable shape and need not be “cup-shaped”. Similarly, any type of bearing can be implemented rather than a ball bearing. For example, a needle roller bearing can be mounted. Specifically, this application is not intended to be limited to any particular wave gear device design or wave gear device component design. In the following, it will be described in detail how a BMG-based material can be embodied in a wave gear device component to improve the performance of the wave gear device according to the present invention.

BMG系波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネント
本発明の多くの実施形態において、BMG系材料を波動歯車装置及び/又は波動歯車装置コンポーネント内に組み込む。多くの実施例において、BMG系材料を開発して、波動歯車装置の構成コンポーネントの作製に極めて適した所望材料特性を有することができるようにする。例えば、上述の波動歯車装置の動作原理から、当然のことながら、玉軸受及びフレクスプラインは、波生成装置プラグの回転により周期的に偏位する。その結果、それらのコンポーネントは、高疲労強度を有する材料から作製するのが望ましい。例えば、図3は、フレクスプラインの疲労強度が、いかに波動歯車装置の寿命の主な決定要因となり得るかを示す。とくに、フレクスプラインが疲労して(他の破損モードとは反する)永久変形を引き起こすとき、波動歯車装置におけるフレクスプラインが機能不全となるのが一般的である。
BMG-Based Wave Gear Device and Wave Gear Device Component In many embodiments of the present invention, BMG-based material is incorporated into a wave gear device and / or a wave gear device component. In many embodiments, BMG-based materials can be developed to have the desired material properties that are very suitable for the fabrication of wave gear device components. For example, from the principle of operation of the wave gear device described above, it goes without saying that the ball bearing and the flex spline are periodically displaced by the rotation of the wave generator plug. As a result, it is desirable to make these components from materials having high fatigue strength. For example, FIG. 3 illustrates how flex spline fatigue strength can be a major determinant of wave gear device life. In particular, when a flexspline fatigues and causes permanent deformation (as opposed to other failure modes), the flexspline in a wave gear device typically fails.

概して、材料の疲労限界は、材料が永久変形する前に材料に特定レベルの応力を加えることができる回数によって規定される。同一の周期的なサイクル荷重を多数回加えると仮定すると、荷重が少なくなればなるほど、変形する前に材料は耐久時間が長く持続する。材料が10サイクル耐えることができるサイクル荷重は、一般的に材料の疲労限界と称される。材料にその降伏強度でサイクル荷重を受ける場合、サイクルで破損することが予想される。従って、疲労限界は一般的に降伏強度の割合として報告される(それらの性能を正規化する)。図示のように、300Mのスチールは、その降伏強度の20%である疲労限界を有する。フレクスプラインにおけるような一定のジオメトリ(表面形状)の部品が疲労していると仮定する場合、より多くの可撓性材料を組み込むことにより、1サイクル当たりの応力が少なくなり、その結果、疲労寿命を相当長くすることができる。 In general, the fatigue limit of a material is defined by the number of times that a certain level of stress can be applied to the material before it is permanently deformed. Assuming that the same periodic cycle load is applied many times, the lower the load, the longer the material lasts before it is deformed. The cycle load that a material can withstand 10 7 cycles is commonly referred to as the fatigue limit of the material. If a material is subjected to a cyclic load at its yield strength, it is expected to break in the cycle. Thus, fatigue limits are generally reported as a percentage of yield strength (normalizing their performance). As shown, 300M steel has a fatigue limit that is 20% of its yield strength. Assuming a constant geometry (surface shape) part is fatigued, such as in a flexspline, incorporating more flexible material results in less stress per cycle, resulting in fatigue life Can be made considerably longer.

従って、BMG系材料は、好ましくは、波動歯車装置のフレクスプライン内に組み込んで、より向上した疲労性能をもたらすことができる。例えば、BMG系材料は、2%程の弾性限界を有することができ、また、スチール系材料の約3倍も低い剛性にすることができる。概して、このことは、BMG系材料から作製したフレクスプラインは、同一ジオメトリを有するスチール系フレクスプラインと比較して変形単位あたりより低い応力を受けることができることを意味する。それに応じて、BMG系材料は、より一層好ましい疲労特性を有することができ、例えば、比較的少ないストレスを受けた材料は、より多くの荷重サイクルに耐え得る傾向がある。さらに、剛性値が異なると、作製したコンポーネントのジオメトリに影響を与えることに留意されたい。従って、BMG系材料は比較的低い剛性値を有することができ(例えばスチールと比較して)、波動歯車装置コンポーネントをより好ましいジオメトリにすることができる。例えば、比較的低い剛性によれば、より厚いフレクスプラインを具現化可能となり、このことは有利となる。実際、BMG系材料の材料特性プロファイルは、総じて、より好ましいジオメトリの開発を可能にし、即ち、剛性に加えて、BMG系材料の他の材料特性もまた、有利なジオメトリ開発に寄与できるようになる。   Accordingly, the BMG-based material can preferably be incorporated into the flex spline of the wave gear device to provide improved fatigue performance. For example, BMG-based materials can have an elastic limit of as much as 2% and can be about three times less stiff than steel-based materials. In general, this means that flexsplines made from BMG-based materials can be subjected to lower stresses per deformation unit compared to steel-based flexsplines having the same geometry. Accordingly, BMG-based materials can have even more favorable fatigue properties, for example, materials that are subjected to relatively low stress tend to withstand more load cycles. Furthermore, note that different stiffness values affect the geometry of the fabricated component. Thus, the BMG-based material can have a relatively low stiffness value (e.g., compared to steel), and the wave gear device component can have a more favorable geometry. For example, a relatively low stiffness allows a thicker flexspline to be implemented, which is advantageous. Indeed, the material property profile of BMG-based materials generally allows the development of more favorable geometries, i.e., in addition to stiffness, other material properties of BMG-based materials can also contribute to advantageous geometry development. .

さらに、従来技術から理解できるように、BMG系材料は、より高い硬度値を有することができ、それに応じて、既存のエンジニアリング材料と比較して改善した磨耗性能を実証する。高い硬度値を有する材料は、特に、波動歯車装置において有利であり、これはすなわち、波動歯車装置の構成コンポーネントが互いに連続的に接触し、また、例えば、滑り摩擦を受けるからである。概して、ギア歯が一定の荷重及び付随の摩擦を受けるとき、結果として生ずる関連した弾性変形及び磨耗は「ラチェッティング(ratcheting)」を尚早に引き起こすおそれがある。BMG系材料は、高い硬度値、良い磨耗抵抗(良い耐磨減性も含む)、及び高い弾力性を有することができ、それは、高い荷重を受けるときでさえも有することができ、波動歯車装置内で具現化するのに一層適したものにすることができる。例えば、BMG系材料を波動歯車装置のギア歯に具現化すると、ラチェッティングを抑止することができる。さらに、BMG系材料は、広い温度範囲で高い硬度値を有するよう形成することができる。例えば、BMG系材料は、100K〜300Kの温度範囲内で温度の関数として20%より多く変化しない硬度値を有することができる。実際、BMG系材料は、100K〜300Kの温度範囲内で温度の関数として20%より多く変化しない強度を有することができる。総じて、BMG系材料を波動歯車装置内で具現化することは、多様なレベルで好ましいものとなり得る。表1は、或るBMG系材料の材料特性が、既存のエンジニアリング材料と比較して多くの点でどのように改善した材料特性を有するかを示す。   Furthermore, as can be appreciated from the prior art, BMG-based materials can have higher hardness values, and accordingly demonstrate improved wear performance compared to existing engineering materials. A material with a high hardness value is particularly advantageous in wave gearing, since the components of the wave gearing are in continuous contact with one another and are subject to sliding friction, for example. In general, when the gear teeth are subjected to a constant load and associated friction, the resulting associated elastic deformation and wear can prematurely cause “ratcheting”. BMG-based materials can have high hardness values, good wear resistance (including good wear resistance), and high elasticity, which can have even when subjected to high loads, It can be made more suitable to be embodied in. For example, when a BMG material is embodied in the gear teeth of a wave gear device, ratcheting can be suppressed. Furthermore, the BMG-based material can be formed to have a high hardness value in a wide temperature range. For example, a BMG-based material can have a hardness value that does not change more than 20% as a function of temperature within a temperature range of 100K to 300K. Indeed, BMG-based materials can have a strength that does not change more than 20% as a function of temperature within the temperature range of 100K to 300K. In general, the implementation of BMG-based materials in a wave gear device can be preferred at various levels. Table 1 shows how the material properties of certain BMG-based materials have improved material properties in many ways compared to existing engineering materials.

重要なことには、BMG系材料の材料特性は、構成コンポーネントの相対比の関数であり、また結晶構造の関数でもある。その結果、BMG系材料の材料特性は、組成を変化させることによって、また、アモルファス構造に対する結晶構造の比を変化させることによって調整することができる。例えば、多くの実施形態において、特定の波動歯車装置コンポーネント内で特定の材料プロファイルを有するBMG系材料を具現化することが望ましい。これら実施例において、適切なBMG系材料を開発する、及び/又は開発した中からそれぞれの波動歯車装置コンポーネントを作製するように選択することができる。表2、3及び4は、BMG系材料の材料特性がどのように組成及び結晶構造に基づいて変化するかを示す。   Importantly, the material properties of BMG-based materials are a function of the relative proportions of the constituent components and are also a function of the crystal structure. As a result, the material properties of the BMG-based material can be adjusted by changing the composition and by changing the ratio of the crystal structure to the amorphous structure. For example, in many embodiments, it is desirable to implement a BMG-based material having a specific material profile within a specific wave gear device component. In these embodiments, suitable BMG-based materials can be developed and / or selected from among the developed wave gear device components. Tables 2, 3 and 4 show how the material properties of BMG-based materials change based on composition and crystal structure.

図5は、チタニウムBMG系材料の硬度が合金の組成に関連してどのように変化するかを示す。概して、チタニウムBMG系合金は多くの特性を有する傾向にあり、それら特性は、波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントの作製に特に十分適したものにする。   FIG. 5 shows how the hardness of the titanium BMG-based material varies in relation to the alloy composition. In general, titanium BMG-based alloys tend to have many properties, which make them particularly well suited for making wave gear devices and wave gear device components.

以下の表5及び表6は、BMG系材料の疲労特性がどのように組成の関数として変化するかを示す。   Tables 5 and 6 below show how the fatigue properties of BMG-based materials change as a function of composition.

表5及び表6におけるデータを示したが、本明細書の発明者の一人は、独立した疲労試験を実施し、この疲労試験は、示したデータ値とある程度相反する。図4A及び4Bは、実施した試験結果を示す。   Although the data in Tables 5 and 6 are shown, one of the inventors herein performed an independent fatigue test, which is somewhat inconsistent with the data values shown. 4A and 4B show the results of the tests performed.

特に、図4Aは、モノリシックVitreloy1、複合材LM2、複合材DH3、300-Mスチール、2090-T81-アルミニウム、及びガラスリボンの疲労抵抗を示す。これらの結果から、複合材DH3が疲労破壊に高い抵抗性を示すことを実証している。例えば、複合材DH3は、約0.25の応力振幅/引張強度の比で約20,000,000サイクルに耐えることができることを示す。留意すべきは、モノリシックVitreloy1は、疲労破壊に対する比較的低い抵抗性を示し、これは、表5及び表6において示した結果と矛盾するように見える。この相違は、一部にはデータを得る厳密さに起因するものであり得る。特に、本発明の発明者は、疲労抵抗が様々な用途に適切かどうかを確定する臨界的材料特性であること理解しているため、発明者は最も厳しい試験条件下で得た疲労抵抗データを獲得した。図4Aは、非特許文献13(Launey, PNAS, Vol. 106, No. 13, 4986-4991)から複製したものであり、この開示は参照によって本明細書に組み入れられるものとする(本発明者の一人が共著作者として挙げられている)。   In particular, FIG. 4A shows the fatigue resistance of monolithic Vitreloy 1, composite LM2, composite DH3, 300-M steel, 2090-T81-aluminum, and glass ribbon. These results demonstrate that the composite material DH3 exhibits high resistance to fatigue failure. For example, the composite DH3 shows that it can withstand about 20,000,000 cycles with a stress amplitude / tensile strength ratio of about 0.25. Note that monolithic Vitreloy 1 exhibits a relatively low resistance to fatigue failure, which appears to be inconsistent with the results shown in Tables 5 and 6. This difference may be due in part to the rigor of obtaining data. In particular, the inventors of the present invention understand that fatigue resistance is a critical material property that determines whether it is appropriate for various applications, so the inventors have obtained fatigue resistance data obtained under the most severe test conditions. Won. FIG. 4A is reproduced from Non-Patent Document 13 (Launey, PNAS, Vol. 106, No. 13, 4986-4991), the disclosure of which is hereby incorporated by reference. Are listed as co-authors).

同様に、図4Bは、DV1(「銀ボート」、すなわち半固体処理を使用して製造した)、DV1(「インダス」、業界標準の手順を使用して製造した)、複合材DH3、複合材LM2、モノリシックVitreloy1、300-Mスチール、2090-T81アルミニウム、及びTi-6Al-4Vバイモーダルの疲労抵抗を示す。これらの結果は、複合材DV1(銀ボート)は、複合材DH3よりも疲労破壊に対するより大きな抵抗さえ呈することを示す。複合材DV1の試験の結果は、どのように複合材DV1が製造されたかに大きく基づいて変化することに留意されたい。「銀ボート」技術を使用して製造したとき(「銀ボート」は半固体製造技術に言及するものであり、非特許文献14(Hofmann, JOM, Vol. 61, No. 12, 11-17)に開示されており、本開示は参照によって本明細書に組み入れられるものとする)、業界標準の技術を使用して製造したときと比較して疲労に対して相当優れた抵抗性を示した。本発明の発明者は、この相違は、業界標準の製造プロセスが十分純粋な材料を生産するのに必要なタイプの厳密さ課していないという事実に起因し、また、このことは、疲労破壊に対する抵抗性を含めて、材料特性を決定する上で材料組成がいかに重要かを認識していない産業界のなせる要因である。図4Bは、図4Aにおける結果と合わせてLauney氏が共同して作成したものであるが、図4Bは上述の引用文献において発表されていない。   Similarly, FIG. 4B shows DV1 (“silver boat”, manufactured using semi-solid processing), DV1 (“Indus”, manufactured using industry standard procedures), composite DH3, composite. The fatigue resistance of LM2, monolithic Vitreloy 1, 300-M steel, 2090-T81 aluminum, and Ti-6Al-4V bimodal is shown. These results indicate that composite DV1 (silver boat) even exhibits greater resistance to fatigue failure than composite DH3. It should be noted that the results of testing composite material DV1 vary largely based on how composite material DV1 was manufactured. When manufactured using the “silver boat” technology (“silver boat” refers to semi-solid manufacturing technology and is non-patent document 14 (Hofmann, JOM, Vol. 61, No. 12, 11-17). And this disclosure is incorporated herein by reference), and exhibited significantly better resistance to fatigue than when manufactured using industry standard techniques. The inventor of the present invention attributed this difference to the fact that the industry standard manufacturing process does not impose the type of rigor required to produce a sufficiently pure material, and this is due to fatigue failure. This is a factor that can be made by the industry that does not recognize how important the material composition is in determining the material properties, including resistance to. FIG. 4B was created jointly by Launey with the results in FIG. 4A, but FIG. 4B has not been published in the above cited references.

一般的に、図4A及び図4Bは、BMG系材料は、スチール及び既存の他のエンジニアリング材料よりも良い疲労特性を有するよう開発できることを示す。重要なことには、図4A及び図4Bは、相対的応力振幅比を示し、また表1から探り出すことができるように、BMG系材料は多くのスチールよりも良い最大抗張力を有するように形成することができる。従って、BMG系材料は、いくつかのスチールよりも高い応力レベルでより多くの荷重サイクルに耐えるように形成できる。さらに、BMG系材料は、低い剛性となるように形成することができるため、単位偏位あたりより少ない応力を受けるように形成することができ、それによって、より良い疲労性能さえ得られる結果となる。   In general, FIGS. 4A and 4B show that BMG-based materials can be developed to have better fatigue properties than steel and other existing engineering materials. Importantly, FIGS. 4A and 4B show relative stress amplitude ratios and, as can be derived from Table 1, BMG-based materials are formed to have a better maximum tensile strength than many steels. be able to. Thus, BMG-based materials can be formed to withstand more load cycles at higher stress levels than some steels. Furthermore, BMG-based materials can be formed to have low stiffness, so that they can be formed to receive less stress per unit excursion, resulting in even better fatigue performance. .

上述の説明から、BMG系材料は有利な材料特性を有することができ、その特性によって、波動歯車装置コンポーネント内で具現化する上で極めて十分適したものにすることができることが明らかである。リストに挙げたBMG系材料のいずれも、本発明の実施形態に従って波動歯車装置コンポーネント内で具現化することができる。より一般的には、BMG系材料を調整して(例えば、合金化及び/又は熱処理を介して)、本発明の実施形態に従って、波動歯車装置内で具現化する所望材料プロファイルを有する材料を得ることができる。概して、所望材料特性プロファイルは、それぞれの波動歯車装置コンポーネントに対して決定することができ、材料特性プロファイルに合致するBMG系材料を開発し、また具現化することができる。   From the above description, it is clear that BMG-based materials can have advantageous material properties that can be very well suited for implementation in wave gearing components. Any of the listed BMG-based materials can be embodied in a wave gear device component according to embodiments of the present invention. More generally, the BMG-based material is adjusted (eg, through alloying and / or heat treatment) to obtain a material having a desired material profile that is embodied in a wave gear device, according to embodiments of the invention. be able to. In general, a desired material property profile can be determined for each wave gear component, and BMG-based materials that match the material property profile can be developed and implemented.

例えば、低剛性の材料が望ましい多くの実施形態において、BMG系組成内におけるB、Si、Al、Cr、Co、及び/又はFeの相対的割合は減る。同様に、低い剛性の材料が望ましい多くの実施形態において、柔らかい、延性樹枝状結晶の体積分率は高くなる;又は、代替的には、ベータ安定元素、例えば、V、Nb、Ta、Mo、及び/又はSnの量が増加する。概して、BMGMCsにおいて、材料剛性は混合ルールに従って変化し、例えば、比較的多く樹枝状結晶が存在する場合、剛性は減少し、また、比較的少なく樹枝状結晶が存在する場合、剛性は増加する。留意すべきは、総じて言うと、BMG系材料の剛性を変更するとき、剛性は、他の特性、例えば、BMG系材料の弾性ひずみ限界又は加工性に影響を与えることなく、大きく変更できる。他の材料特性、又は加工性に影響を与えることと関係なく、剛性を調整できる能力は、波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントの設計において大きく利点である。   For example, in many embodiments where a low stiffness material is desired, the relative proportion of B, Si, Al, Cr, Co, and / or Fe within the BMG-based composition is reduced. Similarly, in many embodiments where a low stiffness material is desired, the volume fraction of soft, ductile dendrites is high; or alternatively, beta stable elements such as V, Nb, Ta, Mo, And / or the amount of Sn increases. In general, in BMGMCs, the material stiffness varies according to the mixing rules, for example, if there are relatively many dendrites, the stiffness decreases, and if there are relatively few dendrites, the stiffness increases. It should be noted that, generally speaking, when changing the stiffness of a BMG-based material, the stiffness can be greatly changed without affecting other properties, such as the elastic strain limit or workability of the BMG-based material. The ability to adjust stiffness without affecting other material properties or workability is a significant advantage in the design of wave gearing and wave gearing components.

さらに、まさにBMG系材料の剛性を調整できることから、疲労破壊に対する抵抗性も、本発明の実施形態に従って調整できる。疲労破壊に対する抵抗性を改善するのに使用する合金元素は、大きく実験的に決定される。しかし、破壊靱性を増強するのに使用する同一処理技術も、疲労破壊に対する抵抗に有利に影響を与える傾向があることが観察されている。   Furthermore, since the rigidity of the BMG material can be adjusted, the resistance to fatigue failure can also be adjusted according to the embodiment of the present invention. The alloy elements used to improve resistance to fatigue failure are largely determined experimentally. However, it has been observed that the same processing techniques used to increase fracture toughness also tend to favorably affect resistance to fatigue failure.

いずれの場合においても、上述の説明から明らかなように、上で挙げた及び説明したBMG系材料のいずれも、本発明の実施形態に従って、波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネント内に組み込むことができる。より一般的には、任意のBMG系材料も、本発明の実施形態に従って、波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネント内で具現化することができる。例えば、多くの実施形態において、具現化したBMG系材料は、Fe、Zr、Ti、Ni、Hf、又はCuに基づく(即ち、これらの各元素は、任意な他の元素よりも多くの量が材料内に存在する)。いくつかの実施形態において、波動歯車装置コンポーネント内で具現化したBMG系材料は、Cu-Zr-Al-X組成物であり、Xは、例えば、Y、Be、Ag、Co、Fe、Cr、C、Si、B、Mo、Ta、Ti、V、Nb、Ni、P、Zn及びPdのうち1つ又はそれ以上の元素である。いくつかの実施形態において、波動歯車装置コンポーネント内で具現化したBMG系材料は、Ni-Zr-Ti-X組成物であり、Xは、例えば、Co、Al、Cu、B、P、Si、Be及びFeのうち1つまたはそれ以上の元素である。多くの実施形態において、波動歯車部品内で具現化したBMG系材料は、Zr-Ti-Be-X組成物であり、Xは、例えば、Y、Be、Ag、Co、Fe、Cr、C、Si、B、Mo、Ta、Ti、V、Nb、Ni、P、Zn及びPdのうち1つ又はそれ以上の元素である。いくつかの実施形態において、波動歯車装置コンポーネントは、Ni40Zr28.5Ti16.5Al10Cu(原子割合)であるBMG系材料を含む。いくつかの実施形態において、波動歯車装置コンポーネントは、(Cu50Zr50Al1〜12Be1〜20Co0.5〜5であるBMG系材料を含む。多くの実施形態において、所望材料プロファイルを、或る波動歯車装置コンポーネントに対して決定し、また所望特性を有するBMG系材料を、波動歯車装置コンポーネントを構成するのに使用する。BMG系材料は多くの有利な特質を有することができるため、波動歯車装置コンポーネント内での具現化の結果、より一層堅牢な波動歯車装置となり得る。BMG系波動歯車装置のこの設計手法及び作製を、以下に詳細に説明する。 In any case, as is apparent from the above description, any of the BMG-based materials listed above and described can be incorporated into the wave gear device and the wave gear device component in accordance with embodiments of the present invention. . More generally, any BMG-based material can be embodied in the wave gear device and wave gear device components in accordance with embodiments of the present invention. For example, in many embodiments, the embodied BMG-based material is based on Fe, Zr, Ti, Ni, Hf, or Cu (i.e., each of these elements has a greater amount than any other element). Present in the material). In some embodiments, the BMG-based material embodied in the wave gear device component is a Cu-Zr-Al-X composition, where X is, for example, Y, Be, Ag, Co, Fe, Cr, One or more elements of C, Si, B, Mo, Ta, Ti, V, Nb, Ni, P, Zn and Pd. In some embodiments, the BMG-based material embodied in the wave gear device component is a Ni-Zr-Ti-X composition, where X is, for example, Co, Al, Cu, B, P, Si, One or more elements of Be and Fe. In many embodiments, the BMG-based material embodied in the wave gear component is a Zr—Ti—Be—X composition, where X is, for example, Y, Be, Ag, Co, Fe, Cr, C, One or more elements of Si, B, Mo, Ta, Ti, V, Nb, Ni, P, Zn and Pd. In some embodiments, the wave gear device component comprises a BMG-based material that is Ni 40 Zr 28.5 Ti 16.5 Al 10 Cu 5 (atomic proportion). In some embodiments, the wave gear device component comprises a BMG-based material that is (Cu 50 Zr 50 ) x Al 1-12 Be 1-20 Co 0.5-5 . In many embodiments, a desired material profile is determined for a wave gear device component, and a BMG-based material having the desired characteristics is used to construct the wave gear device component. Since BMG-based materials can have many advantageous properties, implementation within a wave gear device component can result in a more robust wave gear device. This design method and production of the BMG wave gear device will be described in detail below.

BMG系波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントの作製
本発明の多くの実施形態において、波動歯車装置コンポーネントは、鋳造技術又は熱可塑形成技術を使用してBMG系材料から作製する。鋳造技術又は熱可塑形成技術は効率を大きく向上することができ、この技術によって波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントを作製する。例えば、スチール系波動歯車装置コンポーネントは、一般的には機械加工するものであり、構成コンポーネントの複雑さに起因して、機械加工のコストは相当高額となる。逆に、波動歯車装置コンポーネントの開発における鋳造技術又は熱可塑形成技術の使用は、過剰に費用がかかる機械加工プロセスを避けることができる。
Fabrication of BMG-based wave gear devices and wave gear device components In many embodiments of the present invention, wave gear device components are fabricated from BMG-based materials using casting or thermoplastic forming techniques. Casting techniques or thermoplastic forming techniques can greatly improve efficiency, which creates wave gearing and wave gearing components. For example, steel wave gear components are typically machined, and the cost of machining is considerable due to the complexity of the component components. Conversely, the use of casting or thermoplastic forming techniques in the development of wave gear component can avoid overly costly machining processes.

鋳造又は熱可塑形成技術を組み込んだ波動歯車装置コンポーネントの作製方法を図6に示す。このプロセスは、作製すべきコンポーネントの所望材料プロファイルを決定するステップ610を有する。例えば、フレクスプラインを作成する場合、構成要素材料は、特定の剛性、疲労破壊に対する特定の抵抗性、特定の密度、脆性破壊に対する特定の抵抗性、腐食に対する特定の抵抗性、磨耗に対する特定の抵抗性、特定レベルのガラス形成能力等を有するのが望ましい。多くの実施形態において、材料コストも主な考慮要因となる(例えば、特定のBMG系材料は、他のBMG系材料よりも高い又は安いものであり得る)。概して、いかなるパラメータも、作製すべきコンポーネントに対する材料プロファイルを決定するステップ610の考慮要因となり得る。   A method of making a wave gear device component incorporating casting or thermoplastic forming techniques is shown in FIG. This process has a step 610 of determining the desired material profile of the component to be fabricated. For example, when creating a flexspline, a component material has a specific stiffness, a specific resistance to fatigue failure, a specific density, a specific resistance to brittle fracture, a specific resistance to corrosion, a specific resistance to wear It is desirable to have a certain level of glass forming ability. In many embodiments, material cost is also a major consideration (eg, certain BMG-based materials can be higher or cheaper than other BMG-based materials). In general, any parameter can be a factor in the step 610 of determining the material profile for the component to be fabricated.

波動歯車装置におけるいずれの構成コンポーネントも本発明の実施形態に従って作製できることに留意されたい。先に指摘したように、フレクスプライン及び玉軸受は周期的変形に晒されるため、疲労破壊に対して高い抵抗性を有する材料から形成することは特に有利である。さらに、フレクスプライン及び玉軸受は、磨耗に対する極めて高い抵抗性を有する材料から形成することによっても有益であり、これはすなわち、それらコンポーネントは、波動歯車装置の通常動作中に一定の接触及び相対的な動きに直面する(フレクスプラインのギア歯は磨耗し、また玉軸受のボール並びに内側レース及び外側レースは磨耗に直面する)。いくつかの実施形態において、玉軸受の玉は、BMG系材料から作成し、このようにして、玉軸受のボールは、BMG系材料がもたらし得る向上した磨耗抵抗から恩恵を受けることができる。   It should be noted that any component in a wave gear device can be made according to embodiments of the present invention. As pointed out above, flexsplines and ball bearings are subject to periodic deformations, so it is particularly advantageous to form them from materials that are highly resistant to fatigue failure. In addition, flexsplines and ball bearings are also beneficial by forming from materials that have extremely high resistance to wear, which means that the components are in constant contact and relative during normal operation of the wave gearing. (The flexspline gear teeth are worn, and the ball bearing balls and the inner and outer races are subject to wear). In some embodiments, ball bearing balls are made from BMG-based materials, and in this way, ball bearing balls can benefit from the improved wear resistance that BMG-based materials can provide.

しかし、波動歯車装置のいかなるコンポーネントも本発明の実施形態に従ってBMG系材料から作製できることは明らかである。いくつかの実施形態において、円形スプラインのギア歯は、BMG系材料から作製する。このようにして、円形スプラインのギア歯は、BMG系材料が呈し得る向上した磨耗性能特性から恩恵を受けることができる。いくつかの実施形態において、BMG系材料から作製した円形スプラインのギア歯は、その後、異なる、より剛性の高い材料、−例えば、バリリウム及びチタニウム−内に圧嵌するが、円形スプラインを形成し、フレクスプライン及び波生成装置の動きを支持する上で比較的堅固な円形スプラインにとって有益であることを念頭に留め置きたい。このようにして、BMG系材料を、向上した磨耗性能を呈し得る円形スプラインのギア歯において具現化し、より剛性の高い材料は、向上した構造的支持体を呈し得る円形スプラインの残りの部分を形成することができる。   However, it is clear that any component of a wave gear device can be made from a BMG-based material according to embodiments of the present invention. In some embodiments, the circular spline gear teeth are made from a BMG-based material. In this way, circular spline gear teeth can benefit from the improved wear performance characteristics that BMG-based materials can exhibit. In some embodiments, circular spline gear teeth made from BMG-based material are then press fit into different, more rigid materials, such as barium and titanium, but form a circular spline, Keep in mind that it is beneficial for a relatively stiff circular spline in supporting the movement of the flexspline and wave generator. In this way, the BMG-based material is embodied in a circular spline gear tooth that can exhibit improved wear performance, and the stiffer material forms the remainder of the circular spline that can exhibit improved structural support. can do.

多くの実施形態において、波動歯車装置の構成コンポーネントの大部分を同一BMG系材料から作製し、このようにして、それぞれの波動歯車装置がより均一な熱膨張係数を有することができる。いずれの場合においても、波動歯車装置のいかなる構成コンポーネントも、本発明の実施形態に従ってBMG系材料から作製することができる。   In many embodiments, the majority of the components of the wave gear device are made from the same BMG-based material, and in this way, each wave gear device can have a more uniform coefficient of thermal expansion. In any case, any component of the wave gear device can be made from a BMG-based material according to embodiments of the present invention.

図6に戻って説明すると、決定した材料プロファイルを満足させるBMG系材料を選択する(ステップ620)。任意の適切なBMG系材料を選択でき、これらBMG系材料としては、表1〜5において挙げた、また、図4A〜4B及び5において示したうちのすべてを含む。多くの実施形態において、BMG系材料は、ステップ610で決定した材料プロファイルを満足させるよう特に開発し、またステップ620で選択する。例えば、多くの実施形態において、或るBMG系材料は、任意の適切な方法で合金化することによって(例えば先に詳述したように)開発し、材料特性を微調整する。多くの実施形態において、BMG系材料は、結晶構造のアモルファス構造に対する比を変更する(例えば先に詳述したように)ことによって開発し、材料特性を微調整する。もちろん、ステップ610で決定した材料特性を満足させるBMG系材料を開発するいかなる適切な方法も、本発明の実施形態に従って具現化することができる。   Referring back to FIG. 6, a BMG material that satisfies the determined material profile is selected (step 620). Any suitable BMG-based material can be selected, and these BMG-based materials include all of those listed in Tables 1-5 and shown in FIGS. In many embodiments, a BMG-based material is specifically developed and selected at step 620 to satisfy the material profile determined at step 610. For example, in many embodiments, certain BMG-based materials are developed by alloying in any suitable manner (eg, as detailed above) to fine tune material properties. In many embodiments, BMG-based materials are developed by changing the ratio of crystal structure to amorphous structure (eg, as detailed above) to fine tune material properties. Of course, any suitable method of developing a BMG-based material that satisfies the material properties determined in step 610 can be implemented in accordance with embodiments of the present invention.

ステップ620で選択したBMG系材料は、例えば、熱可塑的に所望形状(例えば、作製すべきコンポーネントの形状)に形成し、又は鋳造技術を使用して形成する。BMG系材料からの鋳造又は熱可塑技術によるギア型のコンポーネント作製は、現在広く普及していないが、本発明の発明者は、このような技術の実行可能性をこの目的のために実証した。例えば、図7A〜7Dは、BMG系材料から単一鋳造ステップを使用して作製した1インチ半径のギアを示す。特に、図7Aは、ギア形成に使用したスチール鋳型を示す。図7Bは、スチール鋳型からのBMGMC材料の取出しを示す。図7C及び7Dは、作製したコンポーネントの忠実性を実証するSEM画像を示す。とくに、ギア歯もこの作製方法を使用して具現化した。このようにして、ギア歯を複雑で高額な機械加工を回避できる(逆に、スチール系波動歯車装置コンポーネントは、一般的には、コンポーネント形成において機械加工に頼る)。従って、この教示に従って、多くの実施形態にいて、BMG系材料は、熱可塑的形成又は鋳造して、波動歯車装置の構成コンポーネントの形状にする。多くの実施形態において、BMG系材料は、熱可塑的形成又は鋳造して、ギア歯の形状を含む構成コンポーネントの形状にする。さらに、留意すべきは、任意の適切な熱可塑的形成又は鋳造技術は、本発明の実施形態に従って実施することができる点である。例えば、波動歯車装置の構成コンポーネントは、直接鋳造技術、鍛造技術、スピン形成技術、ブロー成形技術、遠心鋳造技術、BMG系粉末を使用した熱可塑形成技術、のうち1つの技術によって形成することができる。当業者には理解できるように、BMG系材料は、少なくともいくつかのアモルファス構造を維持するために十分に急速に冷却しなければならない。もちろん、留意すべきは、波動歯車装置コンポーネントは、本発明の実施形態に従って、機械加工も含めて任意の適切な様態でBMG系材料から形成することができる。   The BMG-based material selected in step 620 is, for example, thermoplastically formed into a desired shape (eg, the shape of the component to be made) or formed using a casting technique. While gear-type component fabrication by casting or thermoplastic technology from BMG-based materials is not widely prevalent, the inventors of the present invention have demonstrated the feasibility of such technology for this purpose. For example, FIGS. 7A-7D show a 1 inch radius gear made from a BMG-based material using a single casting step. In particular, FIG. 7A shows a steel mold used for gear formation. FIG. 7B shows the removal of BMGMC material from the steel mold. Figures 7C and 7D show SEM images that demonstrate the fidelity of the fabricated components. In particular, gear teeth were also implemented using this fabrication method. In this way, gear teeth can be complicated and expensive machining can be avoided (in contrast, steel based wave gear components generally rely on machining in component formation). Thus, in accordance with this teaching, in many embodiments, the BMG-based material is thermoplastically formed or cast into the shape of a component of a wave gear device. In many embodiments, the BMG-based material is thermoplastically formed or cast into the shape of a component that includes the shape of a gear tooth. Furthermore, it should be noted that any suitable thermoplastic forming or casting technique can be implemented in accordance with embodiments of the present invention. For example, the component of the wave gear device can be formed by one of direct casting technology, forging technology, spin forming technology, blow molding technology, centrifugal casting technology, and thermoplastic forming technology using BMG powder. it can. As can be appreciated by those skilled in the art, BMG-based materials must cool quickly enough to maintain at least some amorphous structure. Of course, it should be noted that the wave gearing component can be formed from a BMG-based material in any suitable manner, including machining, in accordance with embodiments of the present invention.

実施例として、図8A〜8Dは、本発明の実施形態に従って、波動歯車装置の構成コンポーネントを形成するように実施できる直接鋳造技術を示す。特に、図8Aは、加熱して融解状態にし、それによって鋳型804内に挿入する準備ができている融解BMG系材料802の状況を示す。鋳型804は、形成すべきコンポーネントの形状を画定するのに役立つ。図8Bは、融解BMG系材料802を鋳型804内に圧入する状況を示す。図8Cは、BMG系材料を冷却した後に鋳型804を解放する状況を示す。図8Dは、あらゆる過剰なフラッシュ(はみ出し部分)を除去する状況を示す。従って、波動歯車装置コンポーネントは、本発明の実施形態に従って、BMG系材料と関連して直接鋳造技術を使用して作製できる。留意すべきは、波動歯車装置コンポーネントにおける実施に適する結晶金属の鋳造は一般的には実現不能である点である。   By way of example, FIGS. 8A-8D illustrate a direct casting technique that can be implemented to form the constituent components of a wave gear device in accordance with an embodiment of the present invention. In particular, FIG. 8A shows the situation of a molten BMG-based material 802 that is heated to a molten state, thereby ready to be inserted into a mold 804. The mold 804 serves to define the shape of the component to be formed. FIG. 8B shows the situation where the molten BMG-based material 802 is pressed into the mold 804. FIG. 8C shows a situation where the mold 804 is released after the BMG-based material is cooled. FIG. 8D shows a situation where any excess flush (excess portion) is removed. Accordingly, wave gear component can be made using direct casting techniques in conjunction with BMG-based materials, in accordance with embodiments of the present invention. It should be noted that crystalline metal casting suitable for implementation in wave gearing components is generally not feasible.

図9A〜9Cは、本発明の実施形態に従って実施できる他の形成技術を示す。特に、図9A〜9Cは、本発明の実施形態に従って、シート形態であるBMG系材料を熱可塑形成することを示す。特に、図9Aは、この熱可塑形成を実施するよう加熱しておいたBMG系材料のシート902を示す。図示の実施形態において、BMG系材料のシート902を容量放電技術により加熱するが、任意の適切な加熱方法も本発明の実施形態に従って実施できることを理解されたい。図9Bは、BMG系材料を鋳型904内に押し込むのにプレスを使用し、作製すべきコンポーネントを形成する状況を示す。図9Cは、鋳型904を解放してあらゆる過剰なフラッシュを除去する状況を示す。このようにして、所望コンポーネントを得る。   9A-9C illustrate other forming techniques that can be implemented in accordance with embodiments of the present invention. In particular, FIGS. 9A-9C illustrate thermoplastic forming a BMG-based material in sheet form according to an embodiment of the present invention. In particular, FIG. 9A shows a sheet 902 of BMG-based material that has been heated to perform this thermoplastic formation. In the illustrated embodiment, the BMG-based material sheet 902 is heated by capacitive discharge technology, but it should be understood that any suitable heating method may be implemented in accordance with embodiments of the present invention. FIG. 9B shows a situation where a press is used to push BMG-based material into a mold 904 to form a component to be fabricated. FIG. 9C shows a situation where the mold 904 is released to remove any excess flush. In this way, the desired component is obtained.

上述したように、熱可塑形成できるBMG系材料の加熱は、本発明の実施形態に従って任意の適切な方法で達成できる。例えば、図10A〜10Cは、シート形態のBMG系材料の加熱が、スピニング摩擦によって達成できることを示す。図10A〜10Cは、図9A〜9Cにおいて見られるのと類似しているが、BMG系材料1002に対して押し付けるとともに、プレス1010の回転によりBMG系シート材料を摩擦加熱する点を除いて類似している。このようにして、BMG系材料は、熱可塑形成できる程度まで加熱することができる。この技術は、「スピン形成」と称されている。   As noted above, heating of the BMG-based material that can be thermoplastic formed can be accomplished in any suitable manner in accordance with embodiments of the present invention. For example, FIGS. 10A-10C show that heating of BMG-based material in sheet form can be achieved by spinning friction. 10A-10C are similar to those seen in FIGS. 9A-9C, except that they are pressed against the BMG material 1002 and frictionally heat the BMG sheet material by rotation of the press 1010. ing. In this way, the BMG material can be heated to such an extent that it can be thermoplastically formed. This technique is called “spin formation”.

留意すべきは、上述の説明は、BMG系材料を鋳型に機械的に合致させることに関するが、BMG系材料は、本発明の実施形態に従って、任意の適切な方法で鋳型内に形成することができる。多くの実施形態において、BMG系材料は、鋳型に合致させるのを、鍛造技術、真空技術、絞り技術、及び磁気形成技術のうちの1つを使用して行う。もちろん、BMG系材料は、本発明の実施形態に従って、任意の適切な様態で鋳型に合致させることができる。   It should be noted that while the above description relates to mechanically matching a BMG-based material to a mold, the BMG-based material may be formed in the mold in any suitable manner in accordance with embodiments of the present invention. it can. In many embodiments, the BMG-based material is matched to the mold using one of forging techniques, vacuum techniques, drawing techniques, and magnetic forming techniques. Of course, the BMG-based material can be matched to the mold in any suitable manner in accordance with embodiments of the present invention.

図11A〜11Cは、ブロー成形技術を使用して一部を形成する状況を示す。特に、図11Aは、BMG系材料を金型内に配置する状況を示す。図11Bは、BMG系材料1102を加圧ガス又は液体に被曝させ、BMG系材料を金型1104の形状に合致させる状況を示す。一般的には、加圧した不活性ガスを使用する。従来通り、BMG系材料を通常通り加熱して、十分成形し易くなり、また加圧ガス又は液体によって影響を受けることができるようにする。やはり、任意の適切な加熱技術を本発明の実施形態に従って実施することができる。図11Cは、加圧ガス又は液体の力に起因して、BMG系材料が金型1104の形状に一致する状況を示す。   11A-11C illustrate the situation of forming a part using a blow molding technique. In particular, FIG. 11A shows a situation where a BMG-based material is placed in a mold. FIG. 11B shows a situation in which the BMG-based material 1102 is exposed to a pressurized gas or liquid, and the BMG-based material matches the shape of the mold 1104. In general, a pressurized inert gas is used. As usual, the BMG-based material is heated as usual so that it can be easily molded and can be affected by pressurized gas or liquid. Again, any suitable heating technique can be implemented according to embodiments of the present invention. FIG. 11C shows a situation where the BMG-based material matches the shape of the mold 1104 due to the force of the pressurized gas or liquid.

図12A及び12Bは、遠心鋳造を実施して、波動歯車装置の構成コンポーネントを形成することができることを示す。図12Aは、融解BMG系材料1202を金型1204内に注入し、また金型を回転させてBMG系材料を金型の形状に合致させる状況を示す。   12A and 12B illustrate that centrifugal casting can be performed to form the constituent components of a wave gear device. FIG. 12A shows a situation where molten BMG-based material 1202 is poured into mold 1204 and the mold is rotated to match the BMG-based material to the shape of the mold.

図13A〜13Cは、BMG系材料を粉末の形態で金型内に投入し、次に加熱して、材料を熱可塑形成可能な状態にし、それによって、本発明の実施形態に従って、所望構成コンポーネントの形状をなすように形成することを示す。特に、図13Aは、粉末形態のBMG系材料1302を金型内に堆積させた状況を示す。図13Bは、BMG系材料1302を加熱及びプレスして、金型1304の形状に合致させる状況を示す。また、図13Cは、BMG系材料が固体化して、それによって所望コンポーネントを形成した状況を示す。   FIGS. 13A-13C show that a BMG-based material is charged into a mold in the form of a powder and then heated to make the material ready for thermoplastic formation, thereby achieving the desired component according to an embodiment of the present invention. It shows forming to make the shape of. In particular, FIG. 13A shows a situation where a powdered BMG-based material 1302 is deposited in a mold. FIG. 13B shows a situation where the BMG-based material 1302 is heated and pressed to match the shape of the mold 1304. FIG. 13C shows a situation where the BMG-based material has solidified, thereby forming a desired component.

概して、BMG系材料を熱可塑形成又は鋳造するのに適した技術はいずれも、本発明の実施形態に従って実施できることは明らかであろう。上述の実施例は、説明に役立つことを意味し、包括的ではない。より概括的には、BMG系材料で構成する波動歯車装置コンポーネントを形成するのに適切ないかなる技術も、本発明の実施形態に従って実施することができる。   In general, it will be apparent that any technique suitable for thermoplastic forming or casting a BMG-based material can be implemented in accordance with embodiments of the present invention. The above examples are meant to be illustrative and are not comprehensive. More generally, any technique suitable for forming a wave gear component comprised of a BMG-based material can be implemented in accordance with embodiments of the present invention.

図6に戻って説明すると、プロセス600はさらに、望ましい場合には、作製したコンポーネントを仕上げる任意の後形成作業を実施するステップ640を有する。例えば、いくつかの実施形態において、フレクスプラインの全体形状は、熱可塑形成又は鋳造し、次いで、ギア歯をフレクスプラインに対して機械加工する。いくつかの実施形態において、双ロール成形技術を施し、ギア歯をフレクスプライン又は円形スプラインに設ける。図14は、ギア歯をフレクスプラインに具現化するのに使用できる双ロール成形配置を示す。特に、配置1400は、この配置によりフレクスプライン1402の動きを支持する第1ローラーと、ギア歯をフレクスプラインに画成するよう作用する第2ローラー1412とを有する。フレクスプライン1402は加熱して、より成形し易くなり、第2ローラーによって画成する準備ができるようにする。もちろん、ロール成形した部品は、本発明の実施形態に従った任意の適切な技術を使用して仕上げることができる。例えば、ギア歯は、慣習的な機械加工技術を使用して具現化することができる。加えて、ロール成形した部品は、本発明の実施形態に従った任意の適切な方法で(ギア歯を画成するためだけではない)仕上げることができる。   Returning to FIG. 6, the process 600 further includes a step 640 of performing an optional post-forming operation to finish the fabricated component, if desired. For example, in some embodiments, the overall shape of the flexspline is thermoplastic formed or cast and then the gear teeth are machined against the flexspline. In some embodiments, a twin roll forming technique is applied to provide the gear teeth on the flexspline or circular spline. FIG. 14 shows a twin roll forming arrangement that can be used to implement gear teeth in a flexspline. In particular, the arrangement 1400 has a first roller that supports the movement of the flexspline 1402 by this arrangement and a second roller 1412 that acts to define gear teeth in the flexspline. The flexspline 1402 is heated to make it easier to mold and ready to be defined by the second roller. Of course, the roll formed part can be finished using any suitable technique according to embodiments of the present invention. For example, the gear teeth can be implemented using conventional machining techniques. In addition, the roll-formed part can be finished in any suitable manner (not only to define gear teeth) according to embodiments of the present invention.

図15A〜15Fは、図6において概要を示したプロセスに従った、フレクスプラインの作製を示す。図15Aはフレクスプラインの全体的形状を鋳造するのに使用するマルチピースの鋳型を示し、図15Bはフレクスプラインの全体的形状を鋳造するのに使用する組立状態にしたマルチピースの鋳型を示し、図15CはBMG系材料を使用するフレクスプラインの鋳造を示し、図15Dは鋳型の解体状況を示し、図15Eは鋳型から取り出したフレクスプラインを示し、図15FはBMG系材料から鋳造した後にフレクスプラインを機械加工してギア歯を設けることができることを示す。留意されたいことには、図面はギア歯をフレクスプラインに機械加工することを示すが、フレクスプラインは所望ギア歯を有するよう鋳造することができる。このようにして、コストのかかる機械加工を回避することができる。   15A-15F show the creation of a flexspline according to the process outlined in FIG. FIG. 15A shows a multi-piece mold used to cast the overall shape of the flexspline, FIG. 15B shows an assembled multi-piece mold used to cast the overall shape of the flexspline, FIG. 15C shows flexspline casting using BMG-based material, FIG. 15D shows mold dismantling, FIG. 15E shows flexspline removed from the mold, and FIG. 15F shows flexspline after casting from BMG-based material. It can be shown that gear teeth can be machined. It should be noted that although the drawing shows machining the gear teeth into a flex spline, the flex spline can be cast to have the desired gear teeth. In this way, costly machining can be avoided.

形成技術は、プロセス制御に関して極めて繊細であることに留意されたい。概して、部品を形成するとき、流体流、通気、温度、及び冷却を精密に制御することは有益である。例えば、図16は、鋳造技術を使用するフレクスプライン形成における数回の試みを示し、多くの試みが明らかに不完全であることを示す。特に、画像における7個のサンプルは、密度5.3g/cmを有するTiZrCuBeのBMG系材料を使用して作製した。画像における最右側のサンンプルはVitreloy1から作製した。 Note that the forming technique is extremely sensitive with respect to process control. In general, it is beneficial to precisely control fluid flow, ventilation, temperature, and cooling when forming parts. For example, FIG. 16 shows several attempts at flexspline formation using casting techniques, showing that many attempts are clearly incomplete. In particular, seven samples in the image were made using a BMG-based material of TiZrCuBe having a density of 5.3 g / cm 3 . The rightmost sample in the image was made from Vitreloy1.

図17は、上述のプロセスを使用して、様々なスケールの部品を作出することを示す。例として、図17は、上述のプロセスに従って作製したより大きいフレクスプラインを示すとともに、上述のプロセスに従って作成したより小さいフレクスプラインも示す。このようにして、上述のプロセスは多用途である。   FIG. 17 illustrates the creation of parts of various scales using the process described above. As an example, FIG. 17 shows a larger flexspline made according to the process described above, as well as a smaller flexspline made according to the process described above. In this way, the process described above is versatile.

理解すべきことは、図15〜17は、フレクスプラインの作製に関連するが、いずれの波動歯車装置コンポーネントも本発明の実施形態に従ってBMG系材料から作製することができる点である。例えば、図18A〜18BはBMG系材料から作製した円形スプラインを示す。特に、図18Aは1.5インチの円形スプラインを作製したチタンBMG系材料を示し、図18Bは作製したフレクスプラインに対する作製した円形スプラインを示す。円形スプラインはギア歯を設けた状態として示していないが、ギア歯は、その後に円形スプラインに機械加工することができる。   It should be understood that while FIGS. 15-17 relate to the creation of a flexspline, any wave gear device component can be made from a BMG-based material in accordance with embodiments of the present invention. For example, FIGS. 18A-18B show a circular spline made from a BMG-based material. In particular, FIG. 18A shows a titanium BMG-based material from which a 1.5 inch circular spline was made, and FIG. 18B shows the produced circular spline for the produced flexspline. Although circular splines are not shown as having gear teeth, the gear teeth can subsequently be machined into circular splines.

上述の作製技術は、波動歯車装置及び波動歯車装置コンポーネントを効率的に作製するのに使用できる。例えば、上述の説明でそれとなく指摘したように、コンポーネントの機械加工に関連する費用は、これらの技術を使用して回避することができる。従って、或る波動歯車装置コンポーネントを作製するコストは、主に原料コストの関数となり、このことは、コンポーネントのサイズに関係なく言える。逆に、スチール系波動歯車装置コンポーネントを形成するとき、その部品を製造するコストは、幾分の臨界値を超えるサイズ減少に伴って増大する。このことは、より小さいサイズの部品を機械加工するのが困難になるからである。   The fabrication techniques described above can be used to efficiently fabricate wave gear devices and wave gear device components. For example, as is pointed out implicitly in the above description, the costs associated with machining components can be avoided using these techniques. Therefore, the cost of producing a wave gear device component is primarily a function of raw material cost, which can be said regardless of the size of the component. Conversely, when forming a steel-based wave gear component, the cost of manufacturing the part increases with a size reduction that exceeds some critical value. This is because it is difficult to machine smaller size parts.

例として、図19は、アモルファス金属の原料コストがスチールよりも高いという、フレクスプラインに関しての関係を示す。例えば、スチールの剛性は、フレクスプラインが何らかの特定量、例えば50.8mm(2インチ)よりも小さい直径を有する必要があり、また、何らかの量、例えば1mmより小さい壁厚を有する必要があり得る。状況を説明すると、図20は、直径50.8mm(2インチ)で0.8mmの壁厚を有するスチール系フレクスプラインを示す。重要なことに、フレクスプラインを直径が例えば1インチ未満になるようより小さく形成するとき、スチールの壁は機械加工し易くするのには薄すぎてしまう。その結果、アモルファス金属原料のコストがスチールよりも高いときでも、フレクスプラインはアモルファス金属からの製造の方がより安くすることができる。要するに、手間のかかる機械加工は、BMG系材料から部品を鋳造することによって排除でき、また、フレクスプラインの費用もそれによって減少できる。   As an example, FIG. 19 shows the relationship for flexsplines that the raw material cost of amorphous metal is higher than steel. For example, the stiffness of the steel may require the flexspline to have a diameter that is less than some specific amount, for example 20.8 mm (2 inches), and a wall thickness that is less than some amount, for example 1 mm. To illustrate the situation, FIG. 20 shows a steel-based flexspline having a diameter of 50.8 mm (2 inches) and a wall thickness of 0.8 mm. Significantly, when the flexspline is made smaller, eg, less than 1 inch in diameter, the steel wall becomes too thin to facilitate machining. As a result, even when the cost of the amorphous metal raw material is higher than that of steel, the flexspline can be made cheaper when manufactured from amorphous metal. In short, laborious machining can be eliminated by casting parts from BMG-based materials, and the cost of flexsplines can thereby be reduced.

上述の説明から推察できるように、上述の概念は、本発明の実施形態に従って様々な構成に具現化することができる。例えば、いくつかの実施形態において、波動歯車装置コンポーネントはポリマー材料から注型成形し、その後、バルク金属ガラス系材料でコーティングする。このようにして、バルク金属ガラス系材料の耐磨耗特性を利用することができる。従って、本発明は特定の態様において説明したが、多くの付加的な変更及び改変は当業者には明らかであろう。したがって、本発明は本明細書で特別に説明した以外に実施できることを理解されたい。従って、本発明の実施形態は、全ての点において説明目的であって、限定的なものではないと見なすべきである。   As can be inferred from the above description, the above concept can be embodied in various configurations according to embodiments of the present invention. For example, in some embodiments, the wave gear device component is cast from a polymer material and then coated with a bulk metallic glass-based material. In this way, the wear resistance characteristics of the bulk metallic glass-based material can be utilized. Thus, although the invention has been described in certain embodiments, many additional changes and modifications will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, it should be understood that the invention can be practiced otherwise than as specifically described herein. Accordingly, the embodiments of the present invention should be considered in all respects as illustrative and not restrictive.

米国特許第13/928109号明細書U.S. Patent No. 13/928109 米国特許第13/942932号明細書US Patent No. 13/949322

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Claims (20)

波生成装置と、
第1セットのギア歯を有するフレクスプラインと、
第2セットのギア歯を有する円形スプラインと、
を備え、
前記波生成装置、前記フレクスプライン、前記円形スプラインのうち少なくとも1つはバルク金属ガラス系材料を含む、波動歯車装置。
A wave generator;
A flexspline having a first set of gear teeth;
A circular spline having a second set of gear teeth;
With
A wave gear device in which at least one of the wave generating device, the flex spline, and the circular spline includes a bulk metallic glass-based material.
請求項1に記載の波動歯車装置において、前記波生成装置は、波生成装置プラグ及び軸受を有する、波動歯車装置。   The wave gear device according to claim 1, wherein the wave generator includes a wave generator plug and a bearing. 請求項2に記載の波動歯車装置において、前記軸受は玉軸受である、波動歯車装置。   The wave gear device according to claim 2, wherein the bearing is a ball bearing. 請求項1に記載の波動歯車装置において、前記波生成装置、前記フレクスプライン、及び前記円形スプラインのそれぞれがバルク金属ガラス系材料を含む、波動歯車装置。   2. The wave gear device according to claim 1, wherein each of the wave generating device, the flex spline, and the circular spline includes a bulk metallic glass-based material. 請求項1に記載の波動歯車装置において、前記第1セットのギア歯及び前記第2セットのギア歯のうち少なくとも一方がバルク金属ガラス系材料を含む、波動歯車装置。   The wave gear device according to claim 1, wherein at least one of the first set of gear teeth and the second set of gear teeth includes a bulk metallic glass-based material. 請求項1に記載の波動歯車装置において、前記第1セットのギア歯及び前記第2セットのギア歯のそれぞれがバルク金属ガラス系材料を含む、波動歯車装置。   2. The wave gear device according to claim 1, wherein each of the first set of gear teeth and the second set of gear teeth includes a bulk metallic glass-based material. 請求項6に記載の波動歯車装置において、前記波生成装置は、バルク金属ガラス系材料を含む玉軸受を有する、波動歯車装置。   The wave gear device according to claim 6, wherein the wave generating device includes a ball bearing including a bulk metallic glass-based material. 請求項1に記載の波動歯車装置において、最大量で存在する前記バルク金属ガラス系材料の元素は、Fe、Zr、Ti、Ni、Hf、及びCuのうちの1つである、波動歯車装置。   2. The wave gear device according to claim 1, wherein the element of the bulk metallic glass-based material existing in a maximum amount is one of Fe, Zr, Ti, Ni, Hf, and Cu. 請求項1に記載の波動歯車装置において、前記バルク金属ガラス系材料はNi40Zr28.5Ti16.5Al10Cuである、波動歯車装置。 The wave gear device according to claim 1, wherein the bulk metallic glass-based material is Ni 40 Zr 28.5 Ti 16.5 Al 10 Cu 5 . 楕円形状の断面を有する波生成装置プラグと、
内側レース、外側レース及び複数の転動部材を有する軸受と、
を備え、
前記波生成装置プラグは前記軸受内に配置され、前記軸受が前記波生成装置プラグの前記楕円形状に合致できるようにし、
前記波生成装置プラグ及び前記軸受のうち少なくとも一方はバルク金属ガラス系材料を含む、波生成装置。
A wave generator plug having an elliptical cross section;
A bearing having an inner race, an outer race and a plurality of rolling members;
With
The wave generator plug is disposed within the bearing so that the bearing can conform to the elliptical shape of the wave generator plug;
At least one of the wave generator plug and the bearing includes a bulk metallic glass-based material.
請求項10に記載の波生成装置において、前記軸受は玉軸受である、波生成装置。   11. The wave generator according to claim 10, wherein the bearing is a ball bearing. 円形形状を画定する可撓性本体を備えるフレクスプラインであって、前記円形形状の外周は一組のギア歯セットを画定し、前記可撓性本体はバルク金属ガラス系材料を含む、フレクスプライン。   A flexspline comprising a flexible body defining a circular shape, wherein the circular perimeter defines a set of gear teeth, and the flexible body comprises a bulk metallic glass-based material. 請求項12に記載のフレクスプラインにおいて、前記一組のギア歯セットがバルク金属ガラス系材料を含む、フレクスプライン。   The flexspline of claim 12, wherein the set of gear teeth includes a bulk metallic glass-based material. リング状本体を備える円形スプラインであって、前記リング状本体の内周は一組のギア歯セットを画定し、前記リング状本体はバルク金属ガラス系材料を含む、円形スプライン。   A circular spline comprising a ring-shaped body, the inner periphery of the ring-shaped body defining a set of gear teeth, wherein the ring-shaped body comprises a bulk metallic glass-based material. 請求項14に記載の円形スプラインにおいて、前記一組のギア歯セットがバルク金属ガラス系材料を含む、円形スプライン。   The circular spline of claim 14, wherein the set of gear teeth includes a bulk metallic glass-based material. 波動歯車装置コンポーネントを作製する方法であって、
熱可塑性形成技術及び鋳造技術のうち一方と関連する成形型を使用してBMG系材料を成形するステップを有し、
前記BMG系材料は、波生成装置プラグ、内側レース、外側レース、転動素子、フレクスプライン、一組のギア歯セットを持たないフレクスプライン、円形スプライン、一組のギア歯セットを持たない円形スプライン、フレクスプライン内に組み込むべき一組のギア歯セット、及び円形スプラインに組み込むべき一組のギア歯セットのうちの一つとして成形される、方法。
A method of making a wave gear device component comprising:
Forming a BMG-based material using a mold associated with one of a thermoplastic forming technique and a casting technique;
The BMG-based material includes a wave generator plug, an inner race, an outer race, a rolling element, a flex spline, a flex spline without a set of gear teeth, a circular spline, and a circular spline without a set of gear teeth. , Molded as one of a set of gear teeth to be incorporated into a flexspline and a set of gear teeth to be incorporated into a circular spline.
請求項16に記載の方法において、さらに、熱可塑性形成技術又は鋳造技術のいずれかによって成形した後に前記BMG系材料を機械加工するステップを有する、方法。   The method of claim 16, further comprising machining the BMG-based material after molding by either thermoplastic forming or casting techniques. 請求項17に記載の方法において、前記BMG系材料は、一組のギア歯セットを持たないフレクスプライン及び一組のギア歯セットを持たない円形スプラインのうちの一方として成形し、ギア歯を前記BMG系材料に対して機械加工する、方法。   18. The method of claim 17, wherein the BMG-based material is molded as one of a flexspline without a set of gear teeth and a circular spline without a set of gear teeth, and gear teeth are said A method of machining a BMG-based material. 請求項18に記載の方法において、前記BMG系材料は、一組のギア歯セットを持たないフレクスプライン及び一組のギア歯セットを持たない円形スプラインのうちの一方として成形され、ギア歯は、双ロール形成技術を使用してBMG系材料に対して具現化される、方法。   The method of claim 18, wherein the BMG-based material is molded as one of a flexspline without a set of gear teeth and a circular spline without a set of gear teeth, wherein the gear teeth are A method embodied for BMG-based materials using a twin roll forming technique. 請求項16に記載の方法において、前記BMG系材料は、直接鋳造技術、ブロー成形技術、及び遠心鋳造技術のうち1つを使用して成形される、方法。   17. The method of claim 16, wherein the BMG-based material is molded using one of direct casting technology, blow molding technology, and centrifugal casting technology.
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